Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Měření zrychlení vozidla

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Měření zrychlení vozidla Diplomová práce

Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.

Vypracoval: Bc. Milan Mareš

Brno 2012

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ

Diplomová práce


Diplomová práce

Abstrakt Úkolem této diplomové práce bylo vytvořit metodiku na Měření zrychlení vozidla. V úvodu je zpracována teorie jízdní dynamiky včetně ovlivňujících činitelů. Následně byly představeny relevantní metody měření zrychlení spolu s využívanými přístroji. Část práce se zabývá GPS technologií, která byla využívána při praktickém měření. Po sestavení vhodné metodiky se na podzim loňského roku provedly jízdní testy. Následovalo vyhodnocení za podpory připravené aplikace a vyjádření výsledků. Podařilo se zjistit, že modul GPS dokáže ze zaznamenaných dat zformovat dostatečně přesný průběh akcelerační křivky, odpovídající průběhu z akcelerometru. Tyto výsledky byly pro úplnost podrobeny srovnání s jinou odbornou publikací, zabývající se podobným problémem.

Klíčová slova jízdní dynamika vozidla, akcelerace, satelitní systém

Abstract The task of this thesis was to develop a methodology for measuring the acceleration of the vehicle. In the introduction to the theory developed driving dynamics, including influencing factors. Subsequently, the relevant methods were introduced along with the acceleration measurement used by the device. Part deals with GPS technology that was used in practical measurements. After assembling the appropriate methodology to implement the autumn of last year, driving tests. Followed by evaluation prepared with the support of the application of results. We managed to find that the GPS module capable of the recorded data to form a sufficiently precise course of the acceleration curve, corresponding to the course of the accelerometer. These results were submitted for the record compared to other professional publications dealing with similar problem.

Keywords driving dynamics vehicles, acceleration, satellite system


Diplomová práce

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Měření zrychlení vozidla vypracoval(a) samostatně a použil(a) jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.

dne ……………………………………….

podpis diplomanta ……………………….


Diplomová práce

Bibliografická citace

MAREŠ, M. 2012: Měření zrychlení vozidla. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 86 str. vedoucí diplomové práce Ing. Jiří Čupera, Ph.D.


Diplomová práce

Poděkování

Rád bych na tomto místě poděkoval všem, co mi jakkoli pomohli při vzniku mé diplomové práce. Můj dík patří mému vedoucímu, doktoru Čuperovi, za pomoc při vytváření metodiky, realizaci jízdních testů a užitečné připomínky k obsahu díla. Dále pak rodině a přátelům za větší, či menší pomoc.


Diplomová práce

OBSAH

1

ÚVOD ....................................................................................................................... 9

2

DYNAMIKA VOZIDLA ....................................................................................... 10

3

2.1

Základní rovnice pohybu.................................................................................. 10

2.2

Jízdní odpory .................................................................................................... 13

2.2.1

Valivý odpor ............................................................................................. 13

2.2.2

Vzdušný odpor .......................................................................................... 14

2.2.3

Odpor stoupání .......................................................................................... 16

2.2.4

Odpor zrychlení (setrvačnosti).................................................................. 17

2.2.5

Celkový jízdní odpor, potřebná hnací síla ................................................ 19

2.3

Vliv druhu pohonu na podélnou dynamiku ...................................................... 20

2.4

Meze přilnavosti ............................................................................................... 24

2.5

Zrychlení vozidla, rozjezd ................................................................................ 25

2.6

Vzdušné účinky, vztlak .................................................................................... 28

JÍZDNÍ ZKOUŠKY A JEJICH MĚŘENÍ .............................................................. 30 3.1

Jízdní zkoušky .................................................................................................. 30

3.1.1

ČSN........................................................................................................... 30

3.1.2

EHK / ES .................................................................................................. 32

3.1.3

Auto Bild................................................................................................... 34

3.2

Měřené parametry ............................................................................................ 36

3.2.1

Rychlost, dráha ......................................................................................... 36

3.2.2

Zrychlení ................................................................................................... 38

3.3

Měřicí přístroje ................................................................................................. 42

3.3.1

Peiseler ...................................................................................................... 42

3.3.2

Kistler (Corrsys-Datron) .......................................................................... 43

3.3.3

Racelogic .................................................................................................. 44


3.3.4 4

Dewetron ................................................................................................... 46

GPS ......................................................................................................................... 48 4.1

5

Diplomová práce

Systém GPS ...................................................................................................... 48

4.1.1

Historie...................................................................................................... 48

4.1.2

Struktura GPS ........................................................................................... 49

4.1.3

Datový signál ............................................................................................ 50

4.1.4

Přesnost určování polohy, chyby zaměřování .......................................... 52

4.2

Další družicové navigační systémy .................................................................. 55

4.3

Využití při měření akcelerace .......................................................................... 57

METODIKA MĚŘENÍ ........................................................................................... 60 5.1

Příprava na měření ........................................................................................... 60

5.1.1

Měřidla ...................................................................................................... 60

5.1.2

Program ..................................................................................................... 61

5.1.3

Informace o vozidle .................................................................................. 63

5.2

Vlastní jízdní zkouška ...................................................................................... 64

5.2.1

Kontrola vozidla a přístrojů ...................................................................... 64

5.2.2

Zkušební dráha a provozní podmínky ...................................................... 65

5.2.3

Měření ....................................................................................................... 66

5.3

Detaily o provedených jízdních zkouškách v rámci DP .................................. 66

5.4

Získaná data ..................................................................................................... 68

6

VYHODNOCENÍ ZKOUŠEK ............................................................................... 69

7

DISKUSE................................................................................................................ 74

8

ZÁVĚR ................................................................................................................... 76


Diplomová práce

1 ÚVOD Od počátku minulého století, kdy se dostavil zrod motorismu, jsou lidé posedlí touhou pohybovat se stále rychleji. Tato vášeň dopomohla k nejednomu technickému pokroku. S otázkou: „ kdo je vlastně nejrychlejší, “ nastává potřeba, nějakým způsobem zjistit dynamické vlastnosti vozidla.

Počátky takových měření byly velice jednoduché a to projet vyznačený úsek ve změřeném čase a následný dopočet požadovaných veličin. V dnešní době moderní technika pokročila natolik, že je schopna určovat polohu na jednotky centimetrů, čas i rychlost na tisíciny a působení zrychlení ještě přesněji. To vytváří dva pohledy, zaprvé jsou dnes jízdní zkoušky nepředstavitelně přesné a výsledky z nich dokážou doslova vyrazit dech, na druhé straně se z těchto zkoušek stala velice sofistikovaná a náročná metodika.

Cílem této práce je přiblížit složitost takové jízdní zkoušky a ukázky návrhu relativně jednoduché a dostatečně přesné metodiky určování zrychlení vozidla pomoci GPS modulu.

9


Diplomová práce

2 DYNAMIKA VOZIDLA Jízdní vlastnosti vozidla jsou jedním z hlavních faktorů, které každý řidič vnímá. Vhodným konstrukčním návrhem lze docílit vyváženého chování vozu a tím i jeho stability, především v mezních jízdních situacích.

Nelze též opomenout působení základních fyzikálních jevů na jízdní situace a to včetně zrychlování vozu, kterému je věnována tato diplomová práce.

2.1 Základní rovnice pohybu Základní pohybové rovnice pohonu vozidla budou odvozeny podle obr. 2.1a. Pohybová rovnice ve směru podélné osy vozidla zní:

= − − sin ∝ + ∑

(1.1)

kde m je hmotnost vozidla, G tíha vozidla, a je zrychlení vozidla a OV je vzdušný odpor. (Vlk, 2000)

Pohybové rovnice kola (dopředný pohyb a otáčení kola) jsou dle obr. 2.1b: = − + − sin ∝

(1.2)

= − −

(1.3)

kde mKi je hmotnost a GKi tíha kola, JKi hmotnostní moment setrvačnosti kola a MKi je hnací moment kola. Hodnota ei je posun reakce ZKi v důsledku deformace kola. Z rovnic (1.2) a (1.3) vyplývá = − sin ∝ − +

− −

a dosazením tohoto výrazu pro aKi = a do rovnice (1.1) se dostane ( + ) + ∑

!"

= ∑

# !"

$

− ( + ) sin ∝ − − !

"

(1.4)

Označením celkové hmotnosti m a celkové tíhy G, pak platí

= + ∑

= + ∑

10

(1.5)


Diplomová práce

Úhlovou dráhu otáčení kola φ lze určit z translační dráhy x, pro kterou platí % = &

(1.6)

kde rK je tzv. valivý poloměr kola. Valivý poloměr kola označuje fiktivní veličinu, která udává poloměr volně se valícího kola, které má stejnou úhlovou rychlost i stejnou dopřednou rychlost jako skutečné kolo. Poloměr dynamický rd je skutečný poloměr kola, tj. kolmá vzdálenost středu kola od opěrné plochy. Mezi valivým a dynamickým poloměrem může nastat několik situací: 1) rK = rd žádný přenos obvodových sil 2) rK < rd přenos hnacího momentu MK (prokluz) 3) rK > rd přenos brzdného momentu MB 4) rK = 0 prokluz kola na místě 5) rK = ∞ blokování kola prudkým brzděním Dosazením (1.5) a (1.6) do rovnice (1.4) se dostane ∑

# !"

= ' + ∑ !

" !

$

( + sin ∝ + + ∑ !

"

Pravá strana rovnice (1.7) se skládá ze čtyř členů, které se nazývají jízdní odpory: Valivý odpor Vzdušný odpor Odpor stoupání Odpor zrychlení

$

) = ∑ !

"

* = sin ∝

+ = ' + ∑ !

11

"

!

(

(1.7)


Diplomová práce

Obr. 2.1 odvození pohybových rovnic při pohonu: a) síla a moment na vozidle; b) síly a moment na kole (Vlk, 2000)

Obr. 2.2 poloha pólu relativního pohybu vůči podložce (poháněné kolo) (Vlk, 2000) b)klouzající kolo – prokluz (vK = 0,rK = 0, &, ≠ 0)

Součet hnacích momentů dělený dynamickým poloměrem kola vyjadřuje hnací sílu vozidla = ∑

# !"

(1.8)

Hnací síla musí překonávat tyto jízdní odpory

= / + + * + +

(1.9)

Jednotlivé jízdní odpory budou detailněji probrány v následující kapitole. (Vlk, 2000) 12


Diplomová práce

2.2 Jízdní odpory Jízdní odpory jsou síly působící proti pohybu vozidla. Vzdušný a valivý odpor působí vždy, ostatní v závislosti na dané situaci.

2.2.1 Valivý odpor Valivý odpor vzniká při deformaci pneumatiky a vozovky. Je-li vozovka tuhá, dochází jen k deformaci pneumatiky. Vlivem ztrát v pneumatice, které se přeměňují v teplo, jsou síly potřebné ke stlačení větší, než síly, jimiž působí pneumatika na vozovku při navracení do kruhového tvaru. Měrné tlaky v přední části stopy jsou větší a tím pádem je radiální reakce vozovky ZK předsunuta o hodnotu ei před svislou osu kola. (Vlk, 2000)

Dle obr. 2.3 platí

/ = / =

z toho plyne, že valivý odpor kola je / =

$

!"

= 0

(2.1)

(2.2)

kde fK = e/rd je tzv. součinitel valivého odporu kola.

Obr. 2.3 silové poměry na valícím se kole (Vlk, 2000)

Součinitel valivého odporu závisí v první řadě na povrchu vozovky, viz tab. 2.1. Méně důležitými vlivy jsou deformace pneumatiky a rychlost vozidla. Deformace je přímo závislá na tlaku vzduchu v pneumatice a s nižší hodnotou zákonitě roste. Vliv rychlosti

13


Diplomová práce

se začne projevovat - u osobních vozidel od 80km/h, u nákladních od 50 km/h, kdy se začne objevovat rozkmitání bočních stěn pneumatiky. (Vlk, 2000)

Tab. 2.1

hodnoty součinitele odporu valení pro typické povrchy (Vlk, 2000)

Druh vozovky

Stav vozovky

Součinitel odporu

Součinitel adheze µ

valení ƒ Beton

suchý

0,015 – 0,025

0,8 – 1,2

Asfalt

suchý

0,005 – 0,015

0,7 – 1

mokrý

0,008 – 0,02

0,5 – 0,8

suchý

0,01 – 0,03

0,6 – 0,85

mokrý

0,01 – 0,035

0,3 – 0,5

0,01 – 0,015

0,1 - 0,2

uježděný

0,1 – 0,3

0,2 – 0,4

hluboký

0,15 – 0,5

0,1 -0,5

Dlažba

Náledí Sníh

(pozn. autora: pro zkoušky zrychlení vozidel připadají v úvahu pouze první dva povrchy a to v suchém stavu)

Za předpokladu stejného součinitele valivého odporu pro všechna kola lze upravit rovnici (2.2) v následující tvar

/ = 0 ∑ = 0 cos ∝

(2.3)

součet radiálních reakcí jednotlivých kol je roven složce tíhy vozidla Gcosα kolmé na vozovku. Tím pádem pro jízdu po rovině platí

/ = 0

(2.4)

2.2.2 Vzdušný odpor Při jízdě proudí kolem vozidla vzduch a to jak kolem karoserie, tak i pod ní. Za vozidlem vzniká víření, které je zdrojem onoho odporu vzduchu. Velikost vzdušné síly je dán výslednicí normálových tlaků vzduchu na povrchu karoserie a třecích sil, které působí v tečném směru proudění vzduchu kolem karoserie. (Vlk, 2000)

14


Diplomová práce

Obr. 2.4 a) obtékání vzduchu kolem vozu – proudnice b) vznik vzdušného odporu (tlakové síly - vytažené šipky / třecí síly – čárkované šipky) (Vlk, 2000)

Celkový vzdušný odpor se určuje z aerodynamického vztahu 4

= 3 6 7!5

(2.5)

5

kde vr je náporová rychlost proudění vzduchu kolem vozidla, Sx je čelní plocha vozidla, ρ je měrná hmotnost vzduchu a cx je součinitel vzdušného odporu. (Vlk, 2000) Měrná hmotnost vzduchu ρ je závislá na teplotě a tlaku vzduchu. V praktických výpočtech se uvažuje ρ = 1,25 kg/m3, což platí pro tlak po = 1,013 bar a teplotu to = 15°C. (Vlk, 2000) Pro jiný tlak p [bar] a teplotu [°C] se určí měrná hmotnost vzduchu ve vztahu :(;< =5>?) < (;=5>?)

8 = 89 :

?@AB

= (;=5>?)

(2.6)

Součinitel odporu vzduchu cx závisí převážně na tvaru karoserie. Hodnoty se zjišťují měřením na modelech, či skutečných vozidlech, v aerodynamickém tunelu. Měření na skutečných vozidlech je přesnější, zejména pokud je vozidlo na válcích. Velká hodnota součinitele je nežádoucí, protože zvyšuje spotřebu paliva. Osobní automobily mají hodnotu cx v rozmezí 0,3 – 0,4. Dnešní moderní vozidla ovšem toto rozmezí překonávají. Mezi nejlepší sériově vyráběná vozidla patří, trochu překvapivě, Audi A2 3L 1.2 TDI (cx=0,25), dále pak sedany od firmy Mercedes – Benz (cx=0,26). (Vlk, 2000)

15


Diplomová práce

Obr. 2.5 Audi A2 3L s rekordní aerodynamikou ( www.auto.cz)

2.2.3 Odpor stoupání Odpor stoupání je složkou tíhy vozidla rovnoběžnou s povrchem vozovky * = ± sin ∝

(2.7)

kde G je celková tíha a α je úhel stoupání. Kladné znaménko platí při jízdě do svahu, záporné při jízdě ze svahu. V praxi se často užívá pojem stoupání (značeno s) dle obr. 2.6 a platí D=

E F

= tan ∝

(2.8)

Obr. 2.6 určení odporu stoupání (Vlk, 2000)

Odpor stoupání nebude v této práci uvažován. Zmíněn bude pouze jako součást obecných pravidel a teorií.

Jedním z parametrů, které je nutno při měření zrychlení dodržet, je právě sklon testovací vozovky. Ten má mít dle normy ČSN 300556 hodnotu podélného sklonu max 0,5%, příčného max 3% (3). Už z principu věci je jasné, že sklon vozovky by do měření 16


Diplomová práce

zanášel velkou nepřesnost, kdy v jednom směru by vozidlo zpomaloval, ve druhém naopak zrychloval. (Vlk, 2000)

2.2.4 Odpor zrychlení (setrvačnosti) Při zrychlování vozidla působí proti zrychlení setrvačná síla, která se nazývá odpor zrychlení. Ta je určena vztahem + = ' + ∑ !

"

!

( = IB + I!

(2.9)

který se skládá z odporu zrychlení posuvné části o hmotnosti IB =

(2.10)

a z odporu zrychlení otáčejících se částí I! = ∑ !

"

!

(2.11)

Obr. 2.7 rotační části automobilu (Vlk, 2000)

K překonání odporu rotačních částí je nutné přivést na hnací kola vozidla moment ! = I! = !J + !B + !

(2.12)

kde Mrm je moment na hnacích kolech vozidla potřebný na zrychlení rotujících částí motoru, Mrp je moment nutný ke zrychlení rotujících částí převodového ústrojí a MrK je moment potřebný pro zrychlení vozidlových kol. (Vlk, 2000)

moment pro zrychlení rotujících částí motoru

!J = J J KL M

17

(2.13)


Diplomová práce

kde Jm je hmotnostní moment setrvačnosti rotujících částí motoru, εm je úhlové zrychlení rotujících částí motoru, iC = iPir je celkový převod mezi motorem a hnacími koly, iP je převod převodovky, ir je převod rozvodovky a η je mechanická účinnost. (Vlk, 2000)

Moment pro zrychlení rotujících částí motoru

a moment pro zrychlení kol vozidla

!B = B B K! M

(2.14)

! = ∑

(2.15)

Mezi úhlovým zrychlením hnacích kol εK a úhlovým zrychlením motoru εm platí NO

=

P

N

= O

(2.16)

Q R

a mezi úhlovým zrychlením kol vozidla a úhlovým zrychlením spojovacího hřídele =

NQ

(2.17)

R

Úhlové zrychlení kol vozidla lze dle rovnice (1.6) vyjádřit v závislosti na podélném zrychlení

S

= !

(2.18)

Dosazení rovnic (2.13 až 2.18) do rovnice (2.12) vznikne

S

! = TUJ KL5 + B KL5 VM + ∑ W !

(2.19)

Výsledný odpor zrychlení posuvných a rotačních částí je dán součtem OZp podle rovnice (2.10) a OZr z rovnice (2.12) #

X

S

I = + ! R = + ! TUJ KL5 + B KL5 VM + ∑ W ! "

"

Pokud rK ≈ rd pak lze rovnici (2.20) napsat I = Z1 +

UO P\ =Q P\ V]=∑ J!"\

^ = )

(2.20)

(2.21)

kde výraz v hranaté závorce je označen ϑ – součinitel vlivu rotačních částí. (Vlk, 2000) 18


Diplomová práce

Celkový převod iC = iPir závisí při stálém převodu rozvodovky ir na zařazeném převodovém stupni v převodovce iP, je také účinek rotačních částí silně závislý na

okamžitém převodu iP. Přímý záběr (iP ≈ 1) zvětšuje nutnou zrychlující sílu asi o 7%,

první rychlostní převod

(iP ≈ 4) dokonce o 70%. (Vlk, 2000)

2.2.5 Celkový jízdní odpor, potřebná hnací síla Celkový odpor se získá sečtením všech dosavadních odporů. Hnací síla na kolech potřebná k překonání jízdních odporů

= / + + * + I

po dosazení 4

S

= 0 + 3 6 7!5 + 'D + ) ( 5

(2.22)

`

Výkon, který je přiváděn na kola, k překonání jízdních odporů neboli hnací výkon vozidla je a = 7 =

# !"

7

(2.23)

po dosazení S

4

a = '0 + D + ) `( 7 + 3 5 6 7 ?

(2.24)

Výkon k překonání odporu vzduchu roste se třetí mocninou, všechny ostatní jsou lineární -vztaženo k rostoucí rychlosti jízdy. Závislost hnacího výkonu na rychlosti je na obr. 2.8. (Vlk, 2000)

Obr. 2.8 výkon potřebný na překonání jízdních odporů (Vlk, 2000)

19


Diplomová práce

2.3 Vliv druhu pohonu na podélnou dynamiku Typ poháněné nápravy má zásadní vliv na schopnost vozidla zrychlovat, popř. vyjet do určitého svahu.

Velikost přenesitelné hnací síly závisí na zatížení kol ZK a součiniteli adheze vozovky µ, po které vozidlo právě jede. Pokud je hnací síla příliš velká, kola se začnou prokluzovat. (Achtenová, Tůma, 2009)

Pro porovnání pohonů vyjdeme z rovnice (1.9) – rovnováhy sil na vozidla a vložíme do ní výsledky rovnic (2.7 a 2.21). Odpor vzduchu a valení zanedbáme. (Achtenová, Tůma, 2009)

= sin ∝ + ) S

= 'sin ∝ + ` )(

Obr. 2.9 momentová rovnováha k bodu A (Achtenová, Tůma, 2009)

Pohon přední nápravy

Velikost zatížení přední nápravy při zrychlování se určí z momentové rovnováhy k bodu dotyku zadní nápravy s vozovkou (viz. obr. 2.9) ∑ b = 0

+ c − cos d c+ + sin d ℎ + )ℎ = 0

20

(3.1)


Diplomová práce

+ = fcos d

Fg F

E

S

− F 'sin d + ` )(h

(3.2)

Potřebný součinitel adheze na přední nápravě pro přenos hnací síly iB =

+

m n

jkl∝= o

iB =

(3.3)

s u m pqj r g t 'jkl r= o( s

s

n

Součinitel adheze je dán povrchem vozovky, tudíž lze zjistit neznámé stoupání vozovky nebo zrychlení vozidla. Pro zrychlení na rovině je převedena rovnice (3.3) na tvar JS =

w vQ x ` w

(3.4)

y X= vQ o w

Snadnější vyjádření zrychlení, či stoupání lze dostat, pokud se rovnice vydělí cosα a zavede se bezrozměrná veličina q zahrnující zrychlení i stoupání (Achtenová, Tůma, 2009) m o n }~ u m t 'z{l |= o( s s n }~

iB = sg

z{l |=

= tan d + iB = sg s

u s

t

S

` pqj r

→ B =

(3.5)

)

(3.6)

s vQ g s

X=vQ

u s

(3.7)

Pohon zadní nápravy

Pro pohon pouze zadní nápravy platí obdobný postup. Uvedeny jsou jen výsledné vzorce i+ = sQ s

+ = 21

u s

=

sQ s u Xtvg s

vg

(3.8)

(3.9)


Diplomová práce

Pohon všech kol

U vozidel se stálým pohonem všech kol s mezinápravovým diferenciálem může být podíl hnacího momentu mezi nápravami různý. Podíl mezi hnací sílou zadní nápravy a celkovou hnací sílo od motoru se značí Φ. (Achtenová, Tůma, 2009) Φ=

g

s<á umí

(3.10)

Pro pohon pouze přední nápravy platí Φ = 0, pro zadní Φ = 1. U vozidel s pohonem všech kol jsou užity tyto podíly hnací síly:

Audi

Φ = 0,5

(Achtenová, Tůma, 2009)

BMW 325iX

Φ = 0,63


Mercedes-Benz 4Matic

Φ = 0,65


Na vyjádření potřebného součinitele adheze se vyjde z rovnic (3.3 a 3.6) pro přední nápravu a rovnice (3.8) pro zadní nápravu s uvažováním koeficientu rozdělení hnacích sil mezi nápravami Φ iB =

(Xt)

(3.11)

(3.12)

sg u t s s

i+ = sQ s

u s

=

Přenositelný hnací moment závisí na zatížení náprav. Vyjde se ze vzorců (3.11 a 3.12), které definují výpočet potřebného součinitele adheze na nápravách. Platí tvrzení: dojdeli k prokluzu jedné nápravy, nemůže ani druhá přenést větší podíl momentu. Pokud platí, že vypočtený součinitel adheze µp > µz, potom se q bude rovnat =

s vQ g s

(Xt)=vQ

u s

(3.13)

V opačném případě, kdy dříve začnou prokluzovat zadní kola, a vypočtený součinitel adheze µz > µp pak platí =

vg

sQ s

tvg

22

u s

(3.14)


Diplomová práce

Nejlepší parametry dosahuje vozidlo se závěrem mezinápravového diferenciálu. Hnací síla se rozděluje dle okamžitého zatížení a adhezních podmínek, přitom platí q = µ.

Pro lepší představu o vlivu pohonu na podélnou dynamiku vozidla, bude nastíněn jednoduchý příklad s vozidlem o rozvoru náprav l = 2,5m, těžištěm ve vzdálenosti lp = 1,1m za přední nápravou ve výšce h = 0,58m. U prvního grafu je předpoklad působení nulového zrychlení, u druhého nulového stoupání. (Achtenová, Tůma, 2009)

srovnání pohonu - stoupání

70 60

stoupavost [%]

50 40 30 20 PP 4x4 50:50 4x4 závěr

10

ZP 4x4 35:65

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

koef. adheze vozovky [-]

Obr. 2.10 vliv typu pohonu na stoupavost vozidla (Achtenová, Tůma, 2009)

Z obr. 2.10 byla snaha sestrojit odpovídající graf závislosti zrychlení na koeficientu adheze vozovky, avšak upravené hodnoty byly přinejmenším zavádějící. Lze ovšem tvrdit, že systém předního pohonu má své hranice kolem 6 m.s-2, zatímco ostatní pohony mohou jít ještě dál. Například nejrychlejší sériové vozidlo na světě Bugatti Veyron dokáže zrychlit na 100 km/h okolo 2,5sekund, což představuje zrychlení přes 11 m.s-2. Je ovšem potřeba upozornit, že do procesu zrychlení vstupuje spousta proměnných, které se v průběhu zrychlování mohou měnit (přilnavost pneumatik apod.).

23


Diplomová práce

2.4 Meze přilnavosti Maximální přenositelná obvodová síla mezi kolem a vozovkou je určena vztahem = i

(4.1)

kde µV je tzv. součinitel valivé přilnavosti. Je-li hnací moment kola MK příliš velký, dojde k prokluzu a hodnota skluzu bude σ = 1 poté

= i

(4.2)

Obr. 2.11 skluzová charakteristika pneumatiky (Vlk, 2000)

Rychlost vozidla je označena jako v, obvodová rychlost kola je vK = ωKrd. Skluzem se rozumí rozdíl mezi těmito rychlostmi (viz. obr. 2.12). (Vlk, 2000)

Obr. 2.12 kinematika poháněného kola (Vlk, 2000)

Aby byl zajištěn, co možná největší přenos obvodové síly, je nutné se vyvarovat prokluzování kol. To má i další výhodu v eliminaci rušivých vlivů kolmých sil na kolo, tzn. vozidlo nepůjde „do smyku“.

Výpočet maximálního točivého momentu a výkonu využitelného pro pohon je uveden v rovnici (4.3 a 4.4). Je nutno zdůraznit, že tyto hodnoty nepředstavuje meze motoru, ale poměry mezi hnacími koly a vozovkou.

JS = i JS

(4.3)

a JS = JS 7 ≈ JS 7

(4.4)

24


Diplomová práce

V grafickém znázornění na obr. 2.14 je zahrnut i pokles součinitele valivé přilnavosti µV, který s rostoucí rychlostí mírně klesá. Mez, znázorněnou spojitou čárou, nemá cenu překračovat, protože nad ní již kola zbytečně prokluzují. (Vlk, 2000)

Obr. 2.13 omezení rychlostních charakteristik přilnavostí: a) hnací moment na kolech b) hnací výkon na kolech (Vlk, 2000)

2.5 Zrychlení vozidla, rozjezd Z rovnice silové rovnováhy (1.9) = / + + * + + plyne zrychlení =

při vyjádření měrnými silami

`

o

U − / − − * V

`

= (E − 0 − D) o

(5.1)

(5.2)

Z dynamické charakteristiky ph = ƒ(v) lze podle rovnice (5.2) sestrojit rychlostní charakteristiku zrychlení a /g = ƒ(v). V případě ϑ = 1, jsou křivky stejné jako pro stoupavost s = ph – ƒ. V reálných situacích je ovšem součinitel vlivu rotačních částí ϑ > 1, tím pádem je budou křivky poníženy (viz. obr. 2.15). (Vlk, 2000)

25


Diplomová práce

Obr. 2.14 rychlostní charakteristika - měrné zrychlení a vliv součinitele rotačních častí (Vlk, 2000)

Dosažitelné maximální zrychlení vozidla a není konstantní, ale jak ukazuje obr. 2.15 je funkcí rychlosti =

;

(5.3)

Z této základní rovnice lze odvodit hned několik závislostí, které ovšem vedou ke grafickému, nebo numerickému řešení. Proto je snazší získat charakteristiku rozjezdu vozidla graficko-analytickou metodou, při které není třeba zjišťovat velikost ploch ∆t a ∆x. (Vlk, 2000)

Závislost a(v) se rozdělí na řadu úseků ∆v = v2 – v1 =….vn a bude předpoklad, že v každém úseku má automobil střední zrychlení =

X + 5 2

při změně rychlosti z v1 na v2 je střední zrychlení =

∆7X 75 + 7X = ∆X ∆X

Celková doba rozjezdu z rychlosti v1 na rychlost vn (= vmax) je = ∆

26


Diplomová práce

Dráha rozjezdu se určí za předpokladu, že v každém rychlostním intervalu ∆v se vozidlo pohybuje rychlostí 7̅ , tedy

7X =

7X + 75 2

Odpovídající dráha v tomto intervalu je ∆%X = 7 ∆ X X X =7

∆7 X

Celková ujetá dráha rozjezdu je % = ∆% Grafické vyjádření je na obr. 2.16.

Obr. 2.15 sestrojení charakteristik rozjezdu (Vlk, 2000) a) rozdělení rychlostní závislosti zrychlení na úseky b) rychlostní charakteristika doby a dráhy

Charakteristiky rozjezdu vozidel se stupňovou převodovkou nejsou plynulé. Během řazení dochází k přerušení hnací síly a na vozidlo v ten okamžik působí proti zrychlení všechny výše zmíněné odpory. Doba vypnutí spojky se pro synchronizované převodovky osobních vozidel pohybuje v rozmezí ∆t = 0,8 – 1,2 s. Během vypnutí spojky dojde k poklesu rychlosti jízdy. (Vlk, 2000)

27


Diplomová práce ∆;

∆7 = (7)

(5.4)

Na obr. 2.17 je vynesen časový průběh rychlosti při rozjezdu včetně vlivu poklesu jízdy ∆v při řazení převodových stupňů. (Vlk, 2000)

Obr. 2.16 časový průběh rychlosti vozidla při rozjezdu (vliv řazení) (Vlk, 2000)

2.6 Vzdušné účinky, vztlak Při pohybu vozidla v přímé jízdě se uvažuje vzdušný odpor OV, vztlak A a klonivý moment MVy0. Tyto veličiny se určují experimentálně v aerodynamickém tunelu. Další jejich vlastností je, že nepůsobí v těžišti vozu, jak bývá zvykem. Z toho důvodu je nutné zavést reakce na kolech, které právě vzdušné zatížení přenáší na vozovku. Ve výsledku se dále pracuje se třemi sílami OV, AP, AZ. (Vlk, 2000) Odpor vzduchu byl již představen v rovnici 2.5, vztlakové síly se vypočítají takto 4

= 3 5 6 7!5 4

(viz 2.5) 4

: = 3b: 6 7!5

= 3bI 6 7!5

5

5

(6.1)

Součinitel vztlaku cA je menší než součinitel vzdušného odporu cx. Jeho velikost silně závisí na úhlu náběhu vzduchu. Ten ovšem při jízdních zkouškách není jednoduché 28


Diplomová práce

určit. Právě proto se součinitel vztlaku určuje experimentálně. Z tohoto důvodu nebude prezentováno další odvozování vzorců, ale pouze důsledky vlivu vztlakových sil. (Vlk, 2000)

Součinitel cA nabývá obvykle kladných hodnot. To znamená, že na nápravách vznikají vztlaky, které obě nápravy odlehčují. Vhodným tvarováním karoserie, lze docílit záporných hodnot součinitele, což je pro jízdní vlastnosti výhodné. (Vlk, 2000)

Přední spoiler snižuje vztlak na přední nápravě a částečně zvyšuje vztlak na zadní nápravě. Dobře navržený přední spoiler může snížit vzdušný odpor. Vlivy spoilerů na velikost vztlaku jsou na obr. 2.18. (Vlk, 2000)

Obr. 2.17 vliv spoileru na velikost vztlaku A na nápravách (Vlk, 2000) a) přední spoiler (Ap přední náprava / AZ zadní náprava) b) zadní spoiler (Ap přední náprava / AZ zadní náprava)

Jak je možno vypozorovat z obr. 2.18b), má montáž zadního spoileru značný smysl. Především na zadní nápravě sníží vztlakovou sílu AZ téměř trojnásobně za přispění značné stability.

29


Diplomová práce

3 JÍZDNÍ ZKOUŠKY A JEJICH MĚŘENÍ Dnešní výpočetní technika umožňuje převratné možnosti při vývoji vozidla. Již při prvotním návrhu se počítá s jistou dynamikou. Jízdní zkoušky představují možnost, jak prakticky ověřit tyto předpokládané dynamické vlastnosti vozidla. Přitom je třeba dodržet určitá pravidla, aby byla měření objektivní a opakovatelná.

Problém ovšem nastává s tím, že neexistuje žádná přímá směrnice, či nařízení, která by se problematikou měření zrychlení zabývala. Akreditační zkušebny, jako například TŰV SŰD Czech, při homologačních zkouškách neprovádějí měření zrychlení. Tento údaj je většinou přímo deklarován výrobcem.

Pokud by nebyla žádná pravidla, jak dané dynamické vlastnosti vozidel zkoušet, nastala by neřešitelná situace při porovnávání jednotlivých vozidel vůči sobě. I samotní výrobci by mohli velmi lehce „zkreslit“ dané hodnoty zrychlení. Tomuto do jisté míry zamezují normy. V České republice se problematikou silniční dopravy zabývají normy skupiny 30 (ČSN 30 xxxx) a zkoušením vozidel oddíl 05 (ČSN 30 05xx).

Pro tuto práci je jmenovitě nejdůležitější norma ČSN 30 0556 (rychlostní vlastnosti – metody zkoušek) a s ní související ČSN 30 0522 (kontrolní zkouška hmotnosti silničních vozidel). V těchto normách se lze dozvědět o požadavcích na vozidlo, zkušební dráhu i měřící zařízení. V následujících kapitolách bude blíže uvedeno.

3.1 Jízdní zkoušky V této kapitole bude představeno měření zrychlení z pohledu vlastního provedení a legislativních předpisů. Též se poodhalí praktické využívání ať už renomované zahraniční periodiky, či domácího výrobce osobních vozidel. 3.1.1 ČSN Jak již bylo v úvodu řečeno, problematikou měření zrychlení se u nás zabývá norma ČSN 30 0556 z roku 1992. Ta obsahuje hned několik možných měření, jmenovitě: •

měření maximální rychlosti

•

„rozjezd s řazením převodových stupňů“

•

doba rozjezdu na zadané dráze 30


Diplomová práce

•

doba rozjezdu na zadanou rychlost

•

„rozjezd na zadaném převodovém stupni, který zajišťuje maximální rychlost“

Popisování jednotlivých zkoušek není pro tuto práci zásadní a jednoduše se dá říci, že měření na ploše je třeba učinit pro oba směry a to minimálně 2krát. Tím se sníží vliv sklonu vozovky, větru apod. Zde bude zmíněna pouze příprava vozidla na zkoušku a obecné požadavky na zkoušku. (ČSN, 1992)

Požadavek na vozidlo (ČSN, 1992) •

v dobrém technickém stavu, seřízen a doplněn pohonnými hmotami

•

všechny důležité skupiny vozidla zajety (motor, převodovka, pneumatiky…)

•

před zkouškou vozidlo řádně zahřát na provozní teplotu

•

klimatizace vypnuta, okna zatažena apod.

Obecné požadavky na zkoušku (ČSN, 1992) měřící úsek •

vozovka pevná, hladká, suchá s dostatečnou adhezí

•

podélný sklon vozovky max 0,5%, příčný sklon vozovky max 3%

•

měřícímu úseku musí předcházet stabilizační úsek

zatížení vozidla (ČSN, 1976) •

pohotovostní hmotnost + 180 kg, nebo + polovina hmotnosti nákladu (náklad > 180 kg)

•

vozidla nad 3,5t zatížena na celkovou konstrukční hmotnost

povětrnostní podmínky •

vypočtená hustota vzduchu se nesmí lišit od normálních podmínek o více než 7,5%

•

rychlost větru do 3 m/s, nárazový vítr do 5 m/s (1m nad zemí)

•

relativní vlhkost < 95%, teplota > 5°C, tlak > 910 hPa

31


Diplomová práce

Výsledky z měření se velmi často interpretují jako funkce v = ƒ(t), nebo v = ƒ(s). Některé hodnoty stačí vyjádřit číselnou hodnotou, jako je maximální rychlost, či doba zrychlení. (ČSN, 1992) 3.1.2 EHK / ES Evropské společenství vydává spoustu směrnice a nařízení, ale žádná se přímo nezabývá měřením zrychlení vozidel. Ovšem akcelerace vozidla je součástí především zvukových, či emisních zkoušek.

Po kontaktování zkušebny TŰV SŰD Czech, bylo zjištěno, že v praxi se akcelerace měří pouze na vozidlech, co mají legislativně vyžadovaný omezovač rychlosti a na malých motocyklech. Jinak je tento údaj deklarován výrobcem.

EHK 51 vozidla z hlediska emisí hluku (dodatek 50) Měření hluku vozidla je nedílnou součástí schvalovacích procesů při homologaci. Jedním z měření je zkouška akustického tlaku za jízdy. Vozidlo přijede na počátek měřeného úseku danou rychlostí, na zvolený rychlostní převod a určitými otáčkami motoru. Jakmile přední část dosáhne počátku úseku, začne vozidlo naplno zrychlovat. Po projetí konce měřeného úseku, se akcelerátor co nejrychleji uvolní. (13)

•

Příprava vozidla

vozidlo nenaloženo, jinak navozeny běžné

provozní podmínky, pneumatiky dané výrobcem (min hloubka vzorku 1,6mm)

•

Vlastnosti zkušební dráhy

povrch suchý s nízkým akustickým hlukem

(požadavky na zkušební dráhu jsou velmi obsáhlé)

•

Povětrnostní podmínky

rychlost větru nesmí přesáhnout 5 m/s (na

akustický hluk má velký vliv spousta činitelů jako teplota, tlak, vlhkost apod.)

EHK 89 vozidla s omezovačem rychlosti (dodatek 88) Tento předpis se zabývá vozidly kategorie N3 (nákladní vozidla) a kategorie M3 (vozidla pro 9 a více lidí), které díky své konstrukční rychlosti (N > 100km/h a M > 90km/h) spadají do povinnosti být vybaveny omezovačem rychlosti. V roce 2002 byla uveřejněna pozměňující směrnice Rady 2002/85ES, kde se nutnost vybavení 32


Diplomová práce

omezovačem rychlosti rozšířilo i na kategorie N2 a M2. Pořád platí výjimka pro vozidla s právem přednosti jízdy. (16)

Dodatek 88 V dodatku 88 předpisu EHK OSN č. 89 jsou tři varianty, kterak se provádí měření. První možnost je měření na zkušební dráze, druhá měření na válcovém dynamometru a poslední zkouška na motorovém brzdovém stanovišti. V této práci bude poukázáno pouze na první možnost. V kostce obsahuje měření na zkušební dráze tyto parametry:

•

Příprava vozidla

seřízení motoru, správné pneumatiky a jejich tlak,

hmotnost vozidla dle výrobce

•

Vlastnosti zkušební dráhy

povrch bez nerovností, sklon maximálně 2%, bez

vody, námrazy apod.

•

Povětrnostní podmínky

1m nad vozovkou vítr do rychlosti 6 m/s (nárazový

vítr do 10 m/s)

•

Metoda akcelerační zkoušky vozidlo jede o 10 km/h nižší rychlostí, než je limitní rychlost pro začátek testu. Poté se akcelerátor přesune do polohy plně otevřené škrticí klapky pro maximální zrychlení. Minimálně 30 sekund se zaznamenává průběh rychlosti a času. Ze získaných dat se učiní graf závislosti rychlosti na čase. Přesnost měření rychlosti musí být ± 1%, měření času méně než 0,1s. Akcelerační zkouška se provádí na všechny převodové stupně, které umožňují dosažení limitní rychlosti pro zásah omezovače rychlosti. (14)

Obr. 3.1 Průběh akcelerační zkoušky na vozidle s omezovačem rychlosti (14)

33


Diplomová práce

EHK 95/1/ES motorky Tato směrnice se zaměřuje na zjištění maximální rychlosti a výkonových parametrů dvou a tříkolových vozidel. Požadavky na vozidlo i zkušební dráhu se nijak neliší od výše zmíněných předpisů.

Měřící úsek pro maximální rychlost musí být minimálně 200m dlouhý s vhodně dlouhými akceleračními a deceleračními úseky. Jediným specifikem, které vychází z konstrukce jednostopého vozidla, je požadavek na hmotnost a výšku zkušebního jezdce (75kg ± 5kg, 1,75m ± 0,05m) a zdokumentování jeho pozice (posazu) na motocyklu. (15) 3.1.3 Auto Bild Německý Auto Bild je největším vydavatelem periodik zaměřených na automobilový průmysl na světě. To také dokazuje fakt, že v rámci licencí existuje na 36 různých odnoží (např. Mexiko, Indie, Indonezie). Česká republika má svoje zastoupení od roku 1991 pod prodejním názvem Auto TIP. (25)

I díky své velikosti si může tento vydavatel dovolit provádět nejrůznější testy nových, či starších vozidel. Díky tomu je u každého testovaného modelu přítomna tabulka s naměřenými hodnotami zrychlení, pružného zrychlení, maximální rychlosti, hmotnosti, brzdných drah, spotřeby a spousty dalších hodnot (viz. obr. 3.2).

Obr. 3.2 tabulka naměřených hodnot Auto Bild (www.autotip.auto.cz)

34


Diplomová práce

Uveřejněné hodnoty jsou vždy exaktní a 100% použitelné. Sama redakce má vytvořen interní postup měření, užívá velmi přesných přístrojů a odpovídající prostory. I přes projevení nemalé snahy o získání bližších informací, se nepovedlo příslušné techniky obměkčit a výsledkem byl pouze poskytnutý odkaz na internetový článek o testování. (25)

Z dostupných informací a jisté dávce štěstí byly zjištěny následující body pro představu, jak němečtí kolegové své testy provádí

Tab. 3.1

zkoušky podle metodiky Auto Bild (25)

Zkouška zrychlení Vozidlo světla a klimatizace

zapnuta

kontrola trakce

vypnuta

automatická převodovka hmotnost vozidla

poloha D, nebo S pohotovostní hmotnost s plně natankovanou nádrží – bez řidiče

zatížení při zkoušce

na celkovou hmotnost dle technické dokumentace vozu

Průběh zkoušky zrychlení

0 – 50 km/h

(standardně se měří první tři

0 – 100 km/h

hodnoty / u sportovních

0 – 130 km/h

vozidel všechny)

0 – 160 km/h 0 – 200 km/h

pružné zrychlení

na 4 / 5 / 6 převodový stupeň

rozmezí rychlostí

60 – 100 km/h 80 – 120 km/h

počet měření

min 4x (zamezení vlivu větru)

používané přístroje

firmy Racelogic V-BOX přístroj pracující za podpory GPS technologie

35


Diplomová práce

3.2 Měřené parametry Kapitola o jízdní dynamice ukázala, kolik členů ovlivňuje jízdu vozidla. Při jízdních zkouškách se tím pádem sleduje spousta parametrů, ať už je to od samotného vozidla, či okolí. Samozřejmostí je potom ukládání jisté minimální přesnosti a citlivosti záznamu veličin.

Pro tuto práci jsou nejdůležitějšími parametry rychlost, dráha a zrychlení. Proto budou v následujících oddílech detailněji představeny, spolu s možnostmi jejich měření. 3.2.1 Rychlost, dráha Rychlost je fyzikální veličina popisující pohyb hmotného tělesa v čase, tzn. jakou dráhu urazí za určitý čas. Okamžitá rychlost popisuje, jak rychle se daném okamžiku mění poloha hmotného bodu v čase. (Cholasta, 2010) 7=

[m.s-1]

;

(7.1)

Přístroje pro zaznamenání průběhu rychlosti pracující na třech základních principech. První z nich je na bázi elektrické indukce (označován jako mechanický systém), druhý využívá optické jevy (optický systém) a třetí pracuje na základě Dopplerova jevu (radarový systém). Je možné též použít systém na základě GPS. Touto problematikou se bude detailněji zabývat další kapitola. Ke každé metodě bude uveden základní princip a vybraný zástupce od některého renomovaného výrobce. (Vlk, 2005)

Mechanické systémy Mohou být tvořeny čistě mechanickým převodem. Takové řešení lze najít ve starších vozidlech, které užívají mechanicky poháněný rychloměr. Při důkladném odladění je možno dosáhnout slušné přesnosti. I přesto je lepší použít systémy s elektrickým signálem. Jde o indukční otáčkoměry (tachodynamo, tachogenerátor) nebo impulzní otáčkoměry. (Vlk, 2005)

Tachodynamo pracuje na principu indukce stejnosměrného elektromotorického napětí U, které je přímo závislé na počtu otáček rotoru. (Vlk, 2005)

36


Diplomová práce

Obr. 3.3 indukční snímač umístěný na vlečném kole (Vémola, 2006)

Impulzní otáčkoměry jsou elektrická počítadla impulsů za jednotku času. Generátor impulsů může být tvořen třeba ozubeným kotoučem, který indukuje impulsy v indukčním obvodě. Ozubený kotouč je možno nahradit magnetickým kroužkem a příslušným aktivním snímačem. (Vlk, 2005)

Obr. 3.4 měřidlo otáčení – impulzní systém (www.corrsys-datron.com)

Čidla na stejném principu zjišťují polohu a rychlost klikové hřídele, odvalování kol (ABS), apod.

Optické systémy Měření rychlosti metodou optické korelace je založena na principu – obraz pohybujícího se objektu je promítnut do roviny mřížky. Světelný tok, procházející mřížkou, je soustředěn sběrnou čočkou na fotoelektrické čidlo. Nízkofrekvenční elektrický signál je modulován kmity o frekvenci, která je přímo úměrná rychlosti pohybu. (Vlk, 2005)

37


Diplomová práce

Obr. 3.5 princip funkce optického měření rychlosti (www. corrsys-datron.com),(Vémola, 2006)

Optické přístroje představují velmi rozšířený způsob měření. Při něm je nutno dodržet pracovní vzdálenost přístroje od vozovky a nepříliš velikou členitost, jinak by byla naměřené data nesouhlasila s realitou.

Radarové systémy Radarové systémy pracují na principu Dopllerůva jevu. Nesporná výhoda je v možnostech jeho využití extrémních situacích, kdy nelze užít ostatní metody. Jde především o měření v terénu, například v lese či horách, kde může nastat problém se signálem GPS či optickými čidly. Schéma radarového systému je na obr. 3.6. (20)

Obr. 3.6 princip radarového měření rychlosti (Vlk, 2005)

3.2.2 Zrychlení Zrychlení určuje zvýšení rychlosti za čas. Hodnota zrychlení se udává v m.s-2. Měřicí přístroje (akcelerometry) často udávají zrychlení vztažené k tíhovému, tzn. 1g = 9,81m.s-2 . (Cholasta, 2010)

38


Diplomová práce

Přístroje pro měření zrychlení můžeme rozdělit na dvě základní skupiny a to čistě mechanické přístroje a sofistikované elektronické přístroje. Obě skupiny pracují na základním fyzikálním principu a to:

=∗

(7.2)

kdy se známá hmota (m) vlivem zrychlení (a) vychyluje a je snímána. (Cholasta, 2010)

První skupina jsou spíše orientační měřidla, kde se sleduje úhel α. Daná odchylka je přímo úměrná působícímu zrychlení a lze vypočítat podle rovnice: = ∗ tan d

Obr. 3.7 kyvadlový akcelerometr

(7.3)

Obr. 3.8 kapalinový akcelerometr (1Hz)

Tyto systémy však v dnešní době v žádném případě nevyhovují a to zejména z důvodu složitosti odečtu hodnot, nemožnosti zaznamenávat průběh zrychlení v čase apod. Proto se s nástupem elektroniky stále častěji využívají systémy na bázi elektronickém.

Jejich nesporné výhody jsou v přesnosti měření, sběr dat v časovém průběhu, následně snadné vyhodnocení měření. Rozsáhlou skupinu měřidel tvoří akcelerometry, kterých je podle konstrukce, či způsobu měření, velké množství.

Akcelerometry Jedná se o senzory na měření statického, nebo dynamického zrychlení. Slouží ke třem základním typům měření, a to: •

měření náklonu (sklonu) - zde detekovány změny zemské gravitace. Zástupcem je statický senzor, který je nepoměrně rychlejší než kapalinový akcelerometr

•

měření zrychlení – zjišťuje rychlost, vzdálenosti, síly apod. Široce využíván.

39


•

Diplomová práce

měření vibrací – vyhodnocováním vibrací lze předcházet drahým haváriím např. u strojů (17)

jednoduchá konstrukce akcelerometru je na obr. 3.9. Seismická hmotnost (m) je pružně uložena (k) k základní desce (O) a tlumení kmitů (b) zabraňuje zkreslování měření. Měnící se vzdálenost x(t) je přímo závislá na působících setrvaných sílách a po zpracování signálu určuje zrychlení působící na akcelerometr (17)

Obr. 3.9 schematické konstrukční uspořádání akcelerometru (17)

Většina akcelerometrů měří pouze v jedné ose. Tím pádem je u 2osých a 3osých měřidel užito odpovídající množství jednoduchým senzorů (viz. obr. 3.10).

Obr. 3.10 3osý akcelerometr (17)

Rozlišujeme několik konstrukcí akcelerometrů, z nichž nejvýznamnější jsou piezoelektrické a kapacitní.

piezoelektrický (17) •

měří polohu seismické hmoty vůči pouzdru

•

nelze užít na měření statického zrychlení

•

hodí se pro měření při vysokých frekvencích a na dynamické zrychlení (až 20 000 g)

40


Diplomová práce

Obr. 3.11 princip piezoelektrického snímače (17)

kapacitní (17) •

základní princip je pohyblivá hmota s pružným uložením a tlumením (viz. obr. 3.9)

•

princip: při pohybu hmoty dochází ke změně vzdálenosti desek (změna kapacity) → základ složitějších uspořádání (hřebenové)

•

při akceleraci dochází k pohybu oproti rovnovážnému stavu (obr. 3.12)

Obr. 3.12 schéma hřebenového uspořádání kapacitního akcelerometru (17)

Stabilizační deska Slouží pro měření vodorovného zrychlení a úhlu naklonění vozidla. Podle umístění ve vozidle lze měřit vodorovné boční zrychlení a úhel klopení, nebo vodorovné podélné zrychlení a úhel klonění. (Vlk, 2005)

Schematicky je princip stabilizační desky znázorněn na obr. 3.13. Celá problematika funkce této desky překračuje rozsah práce. Ve zkratce lze říct, že deska eliminuje dynamické naklánění karoserie vozidla při měření. Tím pádem nedochází ke zkreslení získaných hodnot. Deska se do vozidla umisťuje s ohledem, které zrychlení má být 41


Diplomová práce

měřeno. Osa vnitřního rámu musí být rovnoběžná se zkoumaným směrem zrychlování. (Vlk, 2005)

Obr. 3.13 schéma stabilizační desky (Vlk, 2005)

3.3 Měřicí přístroje Měřicí přístroje jsou nedílnou součástí zkušebních cyklů. Na jejich vhodném zvolení závisí následná přesnost a objektivnost získaných dat. Výše zmíněné normy a směrnice pouze definují doporučené přesnosti měření přístrojů. Konečný výběr už je na každé zkušebně.

Mezi základní parametry každého přístroje patří: •

využití měřidla

•

rozsah měření

•

přesnost měření (citlivost)

•

způsob získávání a následné zpracování dat

3.3.1 Peiseler Německá firma Peiseler nabízí kompletní měřící systémy. Známé je především 28´´ vlečné kolo, které je opatřeno induktivním snímačem. Velikost kola je volená záměrně, kdy se dynamický poloměr v závislosti na rychlosti prakticky nemění. Pomoci kardanového závěsu je kolo připevněno k vozidlu. Na obr. 3.14 vpravo, je vyhodnocovací jednotka spolu s přenosnou tiskárnou. (18)

42


Diplomová práce

Obr. 3.14 kompletní měřící systém Peiseler (www.google.com)

Tab. 3.2

parametry přístroje Peiseler VSS (18) Peiseler VSS frekvence měření

200 – 1000 impulzů / metr

rozsah měření

0 – 250 km/h

teplota při měření

-10 až +70°C

zobrazení vzdálenosti

0,01 m

zobrazení rychlosti

0,1 km/h

3.3.2 Kistler (Corrsys-Datron) Mezinárodní společnost Kistler se zabývá výrobou nejrůznějších snímačů. Dceřiná společnost Corrsys-Datron má ve své nabídce kompletní sortiment od mechanických systémů až po radarové. Známé jsou především optické přístroje. (21)

Ty se vyznačují velmi vysokou přesností a spolehlivostí. Oproti GPS technologii pracují optické čidla v reálném čase. Dále je neovlivňují žádní vlivy počasí, nebo například elektromagnetické rušení. Zásadní podmínkou při použití je dodržení předepsané vzdálenosti od vozovky. (19)

43


Diplomová práce

Obr. 3.15 optická hlava (20)

Obr. 3.16 způsob a místo uchycení měřidla na vozidle (20)

Tab. 3.3

2-osý optický senzor pro měření dynamiky (20) CS350A2

CS350A1

rychlostní rozsah

0,5 – 250 km/h

0,5 – 400 km/h

měřící přesnost

< ± 0,2 %

< ± 0,2 %

rozsah úhlů

± 40°

± 40°

úhel rozlišení

< ± 0,1°

< ± 0,1°

přesnost měření úhlu

< ± 0,2°

< ± 0,2°

frekvence měření

250

250

pracovní vzdálenost a rozsah

350 ± 100 mm

350 ± 50 mm

3.3.3 Racelogic Anglická firma Racelogic je významným výrobcem datalogerů pracujících na základě GPS signálu. Tuto technologii používají ve všech svých produktech a se zvyšující přesností a rychlostí, stále více konkurují především optickým systémům. Jejich

44


Diplomová práce

přístroje lze najít u mnoha významných institucí, např. výše zmíněný vydavatel Auto Bild.

Zajímavým produktem je Video VBOX, kde je spolu s daty GPS snímáno i audio vizuální rozlišení. To umožňuje získaná data přiřadit a sledovat současně. Tím vzniká neobvyklá interpretace výsledků. Perličkou na závěr je přiložený software, který dovoluje upravit uživatelské prostředí a vložení mapy závodní tratě, ukazatel přetížení, reálné budíky z mnoha vozidel apod. (22)

Obr. 3.17 sestava Video VBOX od firmy Racelogic (22)

Tab. 3.4

20 Hz systém VBOX (22)

rychlost přesnost

vzdálenost 0,1 km/h (průměrná

přesnost

hodnota)

0,05 % (< 50 cm na km)

jednotky

km/h nebo mph

jednotky

metr / stopa

obnovovací

20 Hz

rozlišení

1 cm

frekvence maximální rychlost

1600 km/h

minimální rychlost

0,1 km/h

rozlišení

0,01 km/h

zpoždění

< 41,5 ms

45


Diplomová práce

pozice

akcelerace 2D pozice

±2,5 m 95% CPE*

přesnost

0,5 %

výška

6 m 95% CPE*

maximum

4G

přesnost s SBAS DGPS

< 1 m 95% CPE*

rozlišení

0,01 G

přesnost s lokálním

40 cm 95% CPE*

DGPS přesnost s lokální

20 cm 95% CPE*

diferenční aktualizací

* CPE – 95 % časových vzorků je v kruhu pravděpodobnostních chyb

Pro běžné uživatele vyvinula firma produkt Performance BOX. Ten zvládne zaznamenat velké množství dynamických veličin. Přitom je uživatelsky velice přívětivý a cenově dostupný. (23)

Obr. 3.18 přístroj Performance BOX (23)

Obr. 3.19 video záznam z jízdní zkoušky (www.google.com)

3.3.4 Dewetron Rakouská firma Dewetron se specializuje na sběr a zpracování dat. Úzce spolupracuje se společností Kistler, což zaručuje snadnou synchronizaci. V jejich nabídce jsou jak předem poskládané sestavy, tak možnost individuálního sestavení dle potřeb koncového zákazníka. Společným znakem pro všechny typy je užívání GPS signálu, jako jednoho ze vstupních dat. Stejně jako u firmy Racelogic pomáhá k velmi detailnímu vyhodnocení měření, spolu s možností vizuálního výstupu. (24)

Jedno z možností měření jízdních vlastností je znázorněna na obr. 3.20. Nespornou výhodou je, že se přístroj vejde snadno do vozidla. Navíc umožňuje kompletní vyhodnocování přímo v terénu. (24) 46


Diplomová práce

Obr. 3.20 schéma sběru a zpracování dat (24)

Tab. 3.5

Základní parametry DEWE-1201 (24) DEWE - 1201 -serie Dynamická expanze kanalu

Analogový, Ethernet

Velikost HDD

32 GB

Doba nahrávání (dané parametry záznamu)

1 den

Datová kapacita

typ. 80 MB/s

Monitor

13´´ TFT

47


Diplomová práce

4 GPS Systém NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System - oficiální název) zaujímá z dlouhodobého vývoje radiových navigací absolutní špici. Pro svoji funkci využívá soustavu družic, které obíhají Zemi podle specifických podmínek a vysílají datové informace. (26)

4.1 Systém GPS GPS je nejznámější navigační systém na světě. Není ovšem jediný. Existuje také ruská varianta s názvem GLONASS, který ovšem není příliš využíván civilním sektorem. Obě varianty jsou ale především vojenská zařízení. To znamená, že při jakémkoli konfliktu může nastat omezení, nebo dokonce přerušení signálu. Proto se Evropská unie rozhodla, že vybuduje vlastní, zcela civilní, navigační systém jménem GALILEO. (JIRKOVSKÁ, 2008) 4.1.1 Historie Počátky družicové navigace se tradují do roku 1960, kdy americké námořnictvo (USNAVY) začalo s rozmisťováním družic systému TRANSIT na oběžnou dráhu. V roce 1964 bylo navigování uvolněno pro civilní sektor. Dnes je využíván především soukromými jachtami. Jde totiž o čistě námořní družicový systém. (26)

Významná data vojenské verze GPS: •

1973 - USA zahajuje projekt NAVSTAR – GPS, který byl rozložen do třech fází.

•

80. léta - uvolnění služby pro civilní sektor

•

1995 - dokončení třetí fáze. Nastává plná funkčnost systému

•

2000 - vypnutí selektivní dostupnosti (SA) zvýší přesnost lokalizace polohy ze 100m na 20m

•

2005 - vypuštění první družice nové generace (28)

48


Diplomová práce

4.1.2 Struktura GPS Systém GPS obsahuje tři základní skupiny, a to kosmický, řídící a civilní segment. K jednotlivým bodům bude uveden stručný popis.

Kosmický segment Jedná se o vesmírné družice obíhající v 6-ti oběžných drahách okolo Země. Střední vzdálenost od povrchu je přibližně 20 200km. Oběžná doba družice je 11h a 58min, sklon trajektorie je 55° vzhledem k rovníku (viz. obr. 4.1). Původních 24 družic bylo v roce 2011 rozšířeno o další 3 družice. Tím pádem došlo k dalšímu zdokonalení pokrytí GPS signálem a minimalizování škod při výpadku, či odstávce některé z družic. (27)

Obr. 4.1 oběžné dráhy satelitů (RAPANT, 2002)

Řídící segment Stará se o bezproblémový chod celého systému. Hlavním úkolem je sledování trajektorií družic a stav atomových hodin. Pozemní stanice jsou přesné GPS přijímače s vlastními atomovými hodinami. Při průletu dojde k přenosu dat, ty se vyhodnotí a následně dochází přes anténu ke korekci jednotlivých družic (dráha, atomový čas). (26)

Na obr. 4.2 jsou naznačeny všechny důležité body na Zemi pro práci navigačního systému. Hlavní středisko se nachází v Coloradu (červená hvězda), pozemní monitorovací stanice slouží ke sběru dat z družic (modré kolečko) a komunikace

49


Diplomová práce

s družicemi – antény pro vysílání opravných signálů k družicím (zelený trojúhelník). Zbytek jsou pomocná místa pro zaručení vyšší viditelnost a flexibilitu celé soustavy.

Obr. 4.2 rozmístění důležitých stanic systému GPS po Zemi (27)

Uživatelský segment Skládá se z GPS přijímačů, uživatelů a vyhodnocovacích činitelů. Přijímač provede na základě stažených dat předběžné výpočty polohy, rychlosti a času. K tomu musí mít signály minimálně ze čtyř družic pro určení X, Y, Z souřadnic. (RAPANT, 2002)

Jelikož je přijímač pouze pasivní zařízení, není služba nijak zpoplatněna. Navíc je výhodné, že přijímač nijak nekomunikuje s družicí. Díky tomu systém nijak neomezuje počet přijímačů. (26) 4.1.3 Datový signál Každý signál z družice obsahuje nosnou vlnu, dálkoměrný kód a navigační zprávy. Existují dvě nosné frekvence L1 (1575,42 MHz, vlnová délka 19 cm) a L2 (1227,60 MHz, vlnová délka 24 cm). První frekvence přenáší P-kód a C/A kód. Druhá pouze Pkód. Existuje ještě tzv. Y-kód, což je prakticky P-kód ovšem pro vojenské účely zašifrovaný.

50


Diplomová práce

Civilní sektor využívá pouze C/A kódu a to navíc pouze z jedné frekvence (L1). To je důsledek zhoršené přesnosti měření oproti vojenským přijímačům, které jednak pracují s přesnějším P-kódem a navíc zachytávají obě frekvence (L1 i L2). Tím se minimalizuje vliv ionosférické refrakce (= lom signálu v atmosféře) a přijímač kvalitněji zaznamenává svoji polohu. (RAPANT, 2002)

GPS přijímač Přijímač je zařízením, které zachytává a zpracovává signály GPS a na výstupu určuje polohu, čas a rychlost pohybu. Skládá se ze tří základních bloků: •

anténa – důležitá součást; její výkonové parametry zásadně ovlivňují celkový výkon přístroje. Na trhu je nepřeberné množství od levných antén do ručních přijímačů, až po vysoce přesné určené na geodetické práce.

•

navigační přijímač – zpracovává zachycené signály od jednotlivých družic. Podle počtu použitých přijímačů se určuje kvalita získaných dat. Vícekanálové přijímače dokážou komunikovat současně se všemi dostupnými družicemi, což výrazně zrychluje a zpřesňuje data.

•

navigační počítač – zpracovává data získaná přijímačem a určuje výslednou polohu, aktuální čas GPS, popř. rychlost. (RAPANT, 2002)

Obr. 4.3 struktura přijímače GPS (RAPANT, 2002)

51


Diplomová práce

4.1.4 Přesnost určování polohy, chyby zaměřování Přesnost určení polohy je zásadní parametr u všech systémů. Zjednodušeně bude systém určování polohy vysvětlen ve 2D rovině: •

v bodě A je přijímač, který přijal jeden signál od družice vzdálené 4 sekundy a druhý signál letící k přijímači 5 sekund (obr. 4.4).

Obr. 4.4 určení polohy dvěma satelity (28)

•

průsečíkem obou kružnic vzniknou dva body A, B. Bod B se nachází ve vesmíru a tím pádem bude vyloučen. Přesná pozice se nachází v šedé zóně.

•

problém nastává s přijímačem, který nemá atomové hodiny, čímž jeho záznam času má jistou chybu – obr. 4.5 (chyba vyznačena kružnicí o 0,5sec větší)

Obr. 4.5 chyba zaměření důvodem hodin přijímače (28)

•

v tu chvíli vzniknou opět dva body, ale již relativně blízko u sebe

•

řešením je signál ze třetí družice, kdy nastanou tři průsečíky B, ale pouze jeden průsečík A – hledaná pozice (obr. 4.6)

52


•

Diplomová práce

v tu chvíli lze GPS přijímač považovat za atomové hodiny a určená poloha je přesná (28)

Obr. 4.6 třetím signálem určená přesná poloha bodu A (28)

Uvedený příklad je pouze velmi informativní pro pochopení základního principu. V reálných situacích vstupuje do problematiky určování polohy mnoho dalších situací, které mohou znesnadnit zaměření. (28)

Zdroje chyb stojí za největším problémem při užívání systému GPS. Postupným vývojem se jednotlivé vlivy daří více či méně eliminovat. Velkým pokrokem disponují rozšířené varianty GPS, které budou detailněji představeny v následující kapitole.

Selektivní dostupnost – od roku 2000 již tento systém vypnut. Šlo o falšování času na frekvenci L1, čímž se do systému zanášela chyba. Ve výsledku to znamenalo nepřesnost až 100 m. Poloha satelitů – zjednodušeně jde o geometrické postavení jednotlivých družic vůči přijímači. Pokud přijímač dostává signál pouze z jednoho směru (družice budou na obloze blízko sebe přibližně stejným světovým směrem), může dojít k velké nepřesnosti měření. Mnoho přijímačů dnes sleduje nejen signál, ale i postavení družic a tím i přesnost měření.

53


Diplomová práce

Obr. 4.7 geometrické uspořádání družic (28) a) dobré –modrá oblast výskytu přijímače je malá b) špatné – oblast výskytu výrazně větší

Odraz signálu – odraz radiových vln (GPS signálu) od objektů. Vzniká především ve městech. Chyba se obvykle pohybuje do několika metrů. Atmosférické jevy – v troposféře a ionosféře dochází ke zpomalení signálu vlivem působení sluneční energie a povětrnostních podmínek. Většinu těchto vlivů umí přijímač zahrnout do výpočtů. Neporadí si ovšem s nenadálými situacemi, např. silný sluneční vítr. Vojenské přijímače jsou na tom lépe díky využívání obou frekvencí L1 i L2, na které vlivem různých frekvencí působí atmosférické vlivy rozdílně.

Obr. 4.8 ovlivnění radiových vln průchodem atmosféry (28)

Hodiny – důvodem nevyužívání atomových hodin i v modulu přijímače, dochází při odečtu času signálu k jisté nepřesnosti. To je řešeno přijímáním signálů z více družic, viz. určování polohy. Relativistické efekty – problém vysvětlený teorií relativity. Ve zkratce jde o to, že na družici pohybující se velmi rychle (3874 m/s) daleko od zemského povrchu (až 20 000 km) plyne čas přibližně o 38 milisekund/den rychleji, než pro pozorovatele na Zemi. Vzhledem k tomu, že nutná přesnost odečtu času pro systémy GPS je 20-30 nanosekund, představuje dané předbíhání problém. Vyřešeno je elegantně tak, že je

54


Diplomová práce

referenční frekvence družice nastavena na 10, 229999995453 MHz namísto 10, 23 MHz a tím pádem je efektu se zrychlováním zamezeno. (28)

Tab. 4.1

chyby GPS (28)

Ionosférické účinky

±5m

Posuny v satelitních drahách

± 2,5 m

Chyba vzniklá hodinami

±2m

Vliv odrazu signálu

±1m

Troposférické účinky

± 0,5 m

Výpočet a zaokrouhlení

±1m

Dohromady tyto vlivy vytváří chybu asi ± 15 m, což výrazně méně než GPS se zapnutou selektivní dostupností (± 100 m). Moderní systémy jsou schopny snížit nepřesnost vzdálenosti na jednotky metrů. (28)

4.2 Další družicové navigační systémy Jako ve všech odvětví lidské činnosti, neexistuje ani v navigačních systémech pouze americké řešení GPS. V dnešní době se již pracuje ruský systému Glonass, ve fázi dokončení je evropský projekt Galileo.

GLONASS Ruská obdoba amerického GPS, původně také vytvořena pro armádní účely, je dnes druhým funkčním zástupcem satelitního navigačního systému. Popisování celé struktury GLONASS by bylo zbytečné, jelikož se od GPS liší pouze v detailech, jako je výška a počet oběžné dráhy satelitů, jejich naklonění vzhledem k rovníku apod. Velkou výhodou je, že při modernizacích systému se počítalo s jeho kompatibilitou s GPS i Galileo. V roce 2010 dosáhl systém 22 satelitů a dostupnost polohy pro Rusko činí 100% (celý svět 99,5%). (30)

55


Diplomová práce

Obr. 4.9 porovnání oběžných drah systému GLONASS (vlevo) a GPS (vpravo) (www.google.com)

GALILEO Evropská verze navigačního systému, která ovšem zatím není dle očekávání v provozu. Poslední odhady připouštějí spuštění v roce 2014. Galileo na rozdíl od svých předchůdců nevychází z vojenského zařízení, ale hned od počátku se vyvíjel jako civilní systém. Ve svém plném provozu bude mít 30 satelitů pohybujících se po třech oběžných drahách, jako je tomu u ruského GLONASSu. Kromě základní funkce navigace, bude vybaven hned několika rozšířeními, jako např. vyhledávací a záchranná služba – SAR. (29)

Obr. 4.10 oběžné dráhy systému Galileo (www.google.com)

56


Diplomová práce

DGPS Jedná se o tzv. diferenciální GPS, který umožňuje civilním přijímačům dosáhnout přesnosti zaměření okolo 5 m. Jde o jakousi soustavu pevných referenčních bodů, kde je známa přesná poloha. Tato jednotka zaznamenává signály z družic a do okolí posílá upravené korekční data, která umožní civilním přijímačům zvýšit svoji přesnost. Do budoucna by měla vzniknout síť těchto referenčních bodů. (27)

Americká instituce NASA posunuje hranice diferenciálním GPS na globální měřítka ve svém projektu GDGPS, který má dosahovat přesnosti až 10 cm. To je naprosto revoluční počin a dovoluje i nevládním organizacím užívat přesné přístroje pracující s reálnými hodnotami. (31) Díky těmto skutečnostem dosahují dnešní měřící systémy, určené na analýzu dynamiky, velkých přesností.

WAAS / EGNOS / MSA Systém vyvinutý pro podporu letecké navigace. Hojně se však používá i v jiných oblastech, např. na moři. Nevyžaduje žádný další přijímač, pouze ten stávající musí umět přijímat korekční data. Jediným drobným omezením je, že jeho účinnost klesá v horských oblastech a oblastech „za obzorem“, tzn. oblasti blíže k severnímu pólu. Typická přesnost se zapnutou funkcí WAAS je ± 1 - 3 m. Zkratky EGNOS značí evropskou verzi, MSA potom japonskou verzi americké předlohy WAAS. (28)

4.3 Využití při měření akcelerace Využití GPS technologie pro měření akcelerace bude demonstrováno na produktech firmy Racelogic, které patří na samou špici měřících systémů.

Vrcholné produkty dokážou měřit vzdálenost s až zarážející precizností, konkrétně v rozmezí ± 2cm. To je naprosto neuvěřitelná přesnost, která umožňuje sledovat i sebemenší odchylky při provádění zkušebních měření.

Jak bylo ukázáno v předchozím oddíle, GPS přijímač podléhá určité nepřesnosti polohy při zachycování signálu z družice. Naštěstí lze při snímání využít jinou metodu pro získání rychlosti. První část je snímání změny signálu z družice (Dopplerův jev), druhá 57


Diplomová práce

snímání signálu z atomových hodin na družici. Z Dopplerova jevu odvozená rychlost, se integrací přesným časovým signálem přepočte na vzdálenost. Díky tomu se docílí mimořádně přesného měření vzdálenosti. (22)

Ověření správnosti měření se provádí na 1000 m úseku, vyznačeném dvěma body. Zařízení VBOX 3i vždy naměřilo vzdálenost s tolerancí ± 3 cm, což je stejná nepřesnost jaká může vzniknout lehkým vychýlením vozu během jízdy.

Přístroj pracuje jak s družicemi GPS, tak i ruskými GLONASS, čímž získává daleko více signálů o různých frekvencích a na jejich základě dokáže velmi přesně vyhodnocovat svoji polohu. V následujícím textu budou představeny data-logger a dvě základnové stanice. (22)

Data – logger VBOX3i – duální anténa (RLVB3iSL) Jedná se o nejvýkonnější data – logger od Racelogic pracující s GPS signálem. Díky dvojici antén je tento systém vhodný pro měření skluzu vozidla kolem. Měřící jednotky jsou natolik citlivé, že dokážou zaznamenat i rozdíl vlivu bočního větru na vozidlo.

U této sestavy je pro výslednou přesnost nejdůležitější vzdálenost a použité GPS antény. Optimální hodnota je 2,5 m mezi anténami. (22)

Obr. 4.11 umístění antén na střeše vozidla (22)

Základní stanice Firma Racelogic disponuje dvěma základními stanicemi. Jedna pracuje na principu diferenciální korekce GPS signálu, druhá na principu RTK korekce (korekce reálným časem). Obě stanice se používají stejným způsobem, kdy se vysílač umístí pokud možno na vyvýšenou pozici. Stanice přijímá signály z družice a zároveň vytváří

58


Diplomová práce

korekce, které vysílá do okolí. Data-logger umístěný v autě přijímá k signálu z družice i tuto upravenou korekci a tím pádem se měření stává velice přesným. Přenos je provázen pomoci radiové telemetrie. Dosah takového signálu je přibližně 10 km, tím je spolehlivě zajištěna bezproblémová funkce. (22)

Obr. 4.122 použití základové stanice při měření (22)

59


Diplomová práce

5 METODIKA MĚŘENÍ V této kapitole bude uvedena vytvořená metodika pro daný problém včetně užitých přístrojů, postupů a programů. Hned v úvodu je nutno upozornit, že veškerá měření jsou přímo závislá na kvalitě a pečlivosti obsluhy při práci. Ani nejdokonalejší metodika nebude vydávat průkazné výsledky, při její špatné aplikaci obsluhou.

5.1 Příprava na měření Před samotnou jízdní zkouškou je třeba provést několik neméně důležitých kroků. Jde o přípravu vhodných měřících zařízení, programu pro zaznamenávání a ukládání signálů a na závěr získání alespoň základních údajů o měřeném vozidle. 5.1.1 Měřidla Na samotné provedení měření bylo užito GPS modulu Garmin a 3osého akcelerometru od firmy XSENS.

GPS modul Lokalizuje zkušební vozidlo a zaznamenává skutečnou rychlost pohybu. Přijímač pracuje s datarate 5 S/s. Do měřícího notebooku byl připojen přes sběrnici RS232.

Obr. 5.1 GPS modul Garmin

Akcelerometr XSENS MTi K určení zatížení řidiče zrychlením, byl užit inerciální snímač XSENS MTi, který se sestává z 3osého akcelerometru a trojosého gyroskopu. Výstupy jsou interpretovány v parametrech: x- y- z- zrychlení, x- y- z- stáčivá rychlost, x- y- z- magnetické pole Země a z gyra jsou vypočteny úhly klopení. Interně jsou hodnoty zpracovávány ve frekvenci 512 Hz, integrovaný DSP provádí integrace a přepočty do Eulerových stupňů

60


Diplomová práce

a také je signál filtrován Kalmanovým filtem. Na sériovou sběrnic (s převodníkem na USB) jsou data posílána 100 x za sekundu. Provedení je na obr. 5.2 a technická specifikace v tabulce XX

Obr. 5.2 akcelerometr XSENS MTi

Tab. 5.1

data k akcelerometru XSENS MTi Stáčivá rychlost

Akcelerace

Magnetické pole

Měření

3 osy

3 osy

3 osy

Rozsah

± 300°/s

± 50 m/s²

± 750 mGauss

0,10%

0,20%

0,20%

0.05 °/s/√Hz

0.002 m/s²/√Hz

0.5 mGauss

Šířka pásma

40 Hz

30 Hz

10 Hz

Maximální rychlost vzorkování

512 Hz

512 Hz

512 Hz

Linearita z rozsahu Šum

5.1.2 Program Pro zaznamenávání dat po dobu měření byla naprogramována aplikace v uživatelském prostředí National Instruments LabVIEW. Tento program byl užit záměrně pro své široké možnosti využití. Ve zkratce se dá popsat jako „grafický“ jazyk, kdy jsou jednotlivé části programu sestavovány na základní desce pomoci grafických ikon. Ty jsou následně požadovaným způsobem propojeny a dotváří funkční celek.

Díky tomu je i složitější program přehledný a rychleji pochopitelný. Navíc případné zásahy do již existujícího aplikace, nepředstavují díky grafickému znázornění struktury, žádné větší problémy.

61

MENDELOVA UNIVER IVERZITA V BRNĚ

Diplomová práce

Pro zadanou problematiku matiku byly vytvořeny tyto dva programy v prostře rostředí LabVIEW a to na obr. 5.3 pro sběr dat z akcelerometru XSENS a na obr. 5.4 z GPS PS m modulu Garmin.

Obr. 5.3 Grafický zdrojový jový kód pro sběr dat ze snímače XSENS (realizováno váno přes sériový port)

62


Diplomová práce

Obr. 5.4 Zdrojový ojový kód programu pro sběr dat z modulu GPS (NMEA (NME 0183)

Ovládací panel obou u LabVIEW LabV programů je na obr. 5.5 a ovládacích cích tlačítek tl znázorňuje okamžitou ou rychlost ryc a hodnoty zrychlení, stáčivou rychlost hlost a úhly klopení.

Obr. 5.5 Maska aska programu pro sběr dat z GPS a akcelerometru tru XSENS X

5.1.3 Informace ace o vozidle Pro potřeby výpočtů v připravených při aplikacích je zapotřebí znát tyto základní zá informace o zkoušeném vozidle: •

hmotnost vozidla zidla

m

•

součinitel vzdušné dušného odporu

cx

•

čelní plocha vozu

Sx 63


Diplomová práce

•

hustota vzduchu (přibližná)

σ

•

součinitel odporu valení

0

•

výkon motoru

Pe

všechny tyto údaje jsou relativně snadno ke zjištění a jsou nezbytné pro následné výpočty.

5.2 Vlastní jízdní zkouška Jak již bylo řečeno v úvodu kapitoly, je pro měření akcelerace nutno dodržet několik zásad aby mohly být výsledky brány jako realistické. Následující podkapitoly mají za úkol představit správný (použitý) postup, který eliminuje nepřesnosti.

5.2.1 Kontrola vozidla a přístrojů Před samotným měřením je vhodné získat základní představu o provozní kondici zkoušeného vozidla. Jde především o bezpečnost posádky, ale i samotného vozidla. Akcelerační měření představuje pro celý pohonný řetězec značné zatížení z důvodu požadavku plného výkonu od pohonné jednotky. Každá součástka s omezenou, či dokonce zamezenou funkčností se jednak projeví ve výsledcích a vystavuje posádku zbytečnému nebezpečí. Samozřejmostí je bezvadná funkce brzdového systému.

Měřicí přístroje je nutno ve vozidla vhodně umístit a připevnit. GPS modul je nejvhodnější umístit na střechu vozidla (obr. 5.6). U některých terénních vozidel přichází v úvahu ještě přední nebo zadní nárazník. Na těchto partiích ovšem hrozí snadné zničení snímače. Mezi nevhodná místa patří okolí oken. Ta totiž mohou odrážet GPS signál a tím výrazně zhoršit celkovou funkci. Nejhorší variantou je umístění snímače do interiéru vozidla s pokovenými okny. V tu chvíli dojde prakticky ke ztrátě signálu a měření není možno provést. (KINGSLEY, 2005)

64


Diplomová práce

Obr. 5.6 vhodné umístění GPS antény (přijímače) (KINGSLEY, 2005)

Akcelerometr XSENS byl ve vozidle umístěn na podlaze. Upevnění je řešeno suchým zipem na spodní straně těla akcelerometru. Při umisťování se hlídá přesná hodnota zrychlení v ose z (z = 1g), tedy rovnoběžnost s povrchem. Kalibrace přístroje se provádí při výrobě přímo ve firmě. Pozdější přezkoušení se příliš nevyskytuje, neboť je na ni potřeba velmi specifické laboratoře. Základní nula je dána právě nastavením z-ové osy.

5.2.2 Zkušební dráha a provozní podmínky Zkušební úsek by se svými parametry měl co nejvíce blížit požadavkům zmíněných ve třetí kapitole. Je jasné, že všechny podmínky z dané kapitoly normální uživatel splnit nemůže. Přesto je důležité vyvarovat se zbytečným chybám jako: •

neměřit za silného větru

•

vyvarovat se příliš svažité silnici

•

špatné adhezní podmínky (déšť, náledí)

Provozními podmínkami se rozumí, uvést vozidlo do zahřátého stavu všech pohonných komponentů (nejenom ohřátí motoru), natankovat plnou palivovou nádrž, dotížit vozidlo na celkovou provozní hmotnost. Pokud se poslední dva body neučiní, je třeba tento skutek zdůraznit a zohlednit ve výsledcích. Především s dovážením může nastat problém, ať už s nevhodnými prostředky pro dotížení, nebo nemožností kontroly celkové hmotnosti a rozložení váhy dle pokynů výrobce.

65


Diplomová práce

5.2.3 Měření Samotné měření by mělo probíhat na uzavřené komunikaci, kde nehrozí žádné ohrožení ostatních účastníků silničního provozu. Pokud tak učinit nelze, měly by se provést veškeré možné úkony pro minimalizaci rizika nehody, např.: •

vybrat komunikaci v odlehlém místě s minimální dopravou

•

vhodně zvolit dobu zkoušky s ohledem na hustotu provozu

•

použít výstražné signalizační prvky na upozornění ostatních řidičů apod.

Měřené jízdy by měly vždy probíhat v obou směrech a výsledkem je aritmetický průměr. Ideální stav nastává při opakování jízdní zkoušky v každém směru 2krát. Díky tomu je nashromážděno dostatek informací a případné drobné vlivy, jako počasí apod., jsou minimalizovány.

5.3 Detaily o provedených jízdních zkouškách v rámci DP Jednotlivé detaily jízdních zkoušek jsou velmi důležité a to z hlediska její opakovatelnosti. Především u vozidla není velký problém zabezpečit stejné vstupní parametry. Především počasí je problematickým činitelem, který nelze ovlivnit.

Tab. 5.2

detaily zkušební dráhy

zkušební dráha u obce Rostěnice (3km od Vyškova)

lokalita vozovka

povětrnostní podmínky

stav keof. adheze

suchá 0,9

stav vítr teplota

slunečno bezvětří 16°C

čas měření

cca 15 hod 5.10. 2011

66


Diplomová práce

Obr. br. 5.7 zkušební úsek při měření u obce Rostěnice

Pro účely měření byly ly použity pou dva vozy, které jsou blíže specifikovány ovány v tabulce 5.3.

Tab. 5.3

základní ní charakteristika ch vozidel

vozidla výrobce a typ

SEAT Leon

Citroёn C5 Break

motorizace

typ objem výkon

vznětový 1896 ccm 81 (čip-100) kW

vznětový 2179 ccm 80 kW

převodové ústrojí

typ

manuální 5. stupňové

manuální 5. stupňová

pneumatiky

rozměr

205/55/R16

215/55/R16

0,32 2,18 m2

0,34 2,22 m2

součinitel cx součinitel Sx

67


Diplomová práce

Před samotným měřením provede obsluha kontrolu a zaznamenání aktuálního stavu vozidla, včetně důležité hmotnosti.

Tab. 5.4

informace o vozidlech před jízdou

stav před jízdou celkový stav vozu proběh

bez závad 215 600km

bez závad 135 700km

pneumatiky

tlak stav dezénu

2,3 kPa 45%

2,4 kPa 85%

provozní podmínky

tepl. vody tepl. oleje

90°C 80°C

85°C 80°C

zatížení

hmotnost rozložení

1520 kg (61:39)

1750 kg (62:38)

20 l

45 l

množství paliva

5.4 Získaná data Po měření je získána spousta dat, která je nyní potřeba vhodným způsobem zpracovat. K tomuto úkolu je připravena jednoduchá excelovská aplikace. Nejprve dopočítá hledané zrychlení ze signálu GPS modulu, následně na základě rozsahu dostupných dat o vozidle (viz. 5.1.3) vypočte výkon potřebný pro dané zrychlení při působení všech odporů a přibližný výkon motoru.

Je potřeba upozornit, že především výpočet odporů a z nich následných výkonů, je v reálném stavu velmi složitý. Tudíž je potřeba už dopředu očekávat jisté nepřesnosti a odchylky. Jednou z takto dobře porovnatelných hodnot bude výkon motoru. Údaj výrobce bude brán jako směrodatný a následné porovnání s odhadovaným výkonem ukáže, o kolik se odhad liší. Snaha je dosáhnout rozdílu maximálně 20%.

68


Diplomová práce

6 VYHODNOCE OCENÍ ZKOUŠEK Jak bylo již uvedeno, o, měření měř probíhalo na dvou vozidlech, obě s naftovým naftov motorem a předním pohonem. Seat byl b změřen jednou, Citroёn 3krát.

Výsledky získané z jízdní zkoušky, byly na základě připravené aplikac plikace v MS Excel zpracovány do požadovan dované podoby. Program bude přiložen k elektroni ktronické části diplomové práce. Zde Zd budou prezentovány průběhy akcelerace, ace, rychlosti ry a výkonové bilance v závislosti závisl na časovém průběhu zkoušky. K jednotli ednotlivým grafům přiložená stručná identifik entifikace, pomůže lepšímu pochopení.

První série obrázků (obr. 6.1 a obr. 6.2) znázorňuje naměřené zrychlen ychlení. Rozdíly vypočítaných dat z GPS modulu, m proti naměřeným datům z akcelerome lerometru nejsou nijak významné. Dále je patrná shoda v průběhu obou křivek. Vyhlazení ní signálu sign z akcelerometru bylo o nutno nutn z hlediska porovnatelnosti. Díky tomu u je možno m prohlásit data z GPS modulu za vhodná vho pro následné výpočty.

Průběh zrychlení SEAT 6

Zrychle ychlení z GPS zrychle ychlení XSENS vyhlaz hlazený signál XSENS

zrychlení [m/s2]

5 4 3 2 1 0 0

2

4

6

8

10

12

-1

Obr. 6.1 zrychlení vozidla SEAT

Významné poklesy křivky korespondují s okamžikem přerušení toku hnací h síly z důvodu řazení.

69

14

čas [s-1]


Diplomová práce

Průběh zrychlení CITRÖEN 6

zrychl ychlení GPS zrychl ychlení XSENS

zrychlení [m/s2]

5

vyhlaz hlazený signál XSENS

4 3 2 1 0 0

4

2

6

8

10

12

14

16

čas [s-1]

-1

Obr. 6.2 zrychlení vozidla Citroёn

Průběh rychlosti je na první prv pohled nedůvěryhodný. Výsledný rozdíl zdíl téměř té 20 km/h je již neakceptovatelný. ý. Daná Dan nepřesnost nastala z důvodu citlivostii a množství mn dat (100 jednotek/s) zaznamenanýc enaných akcelerometrem. Proto z následné integrac tegrace ∆a na ∆v vznikl podobný, leč hodnotově hodno posunutý graf.

Průběh rychlosti SEAT 120

rychlost [km/h]

100 80 60 GPS XSENS

40 20

čas [s-1]

0 0

2

4

6

8

10

Obr. 6.3 průběh rychlosti vozidla SEAT

70

12

14

16


Diplomová práce

Průběh rychlosti CITRÖEN 140 120

rychlost [km/h]

100 80 60

GPS XSENS

40 20

čas [s-1] 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Obr. 6.4 průběh rychlosti vozidla Citroёn

ěřidel využívají oba signály a jejich vzájemnéé zpracování zpra vytváří Proto se v praxi u měřidel měřidlo s odpovídající jící přesností pře (VBOX – Racelogic).

Poslední dvojice obrázků rázků zachycuje průběh jmenovitého výkonu motoru. moto Předem je nutno podotknout, že průběhy průb jsou zatíženy jistou chybou, vzniklou lou výpočty. vý

Obr. 6.5 průběh výkonu během zrychlování SEAT

71


Diplomová práce

Obr. 6.6 průběh výkonu během zrychlení Citroёn

Grafické znázornění zbylých jízd není nutné, neboť se nijak významně neliší od výše uvedených grafů vozidla Citroёn. Data byla zpracována v odpovídající excelové aplikaci a všechny důležité výsledky jsou znázorněny v následující tabulce.

Tab. 6.1

Výsledné hodnoty zrychlení a výkonu ze všech jízdních zkoušek CITROËN

hodnoty

SEAT 1

2

3

čas zrychlení

[s]

14,6

15,75

15,8

15,8

zrychlení GPS

[m.s-2]

4,56

4,33

4,65

4,29

zrychlení XSENS

[m.s-2]

5,16

5,15

5,66

5,58

výkon motoru skutečný výkon motoru odhadovaný

[kW]

90

80

80

80

[kW]

88,44

81,34

78,41

80,09

[%]

-1,36

+1,66

- 1,99

+0,11

rozdíl výkonu

72


Diplomová práce

Výsledky získané z vozidla SEAT Leon nejsou sice porovnatelné vůči sobě, avšak rozdíly v maximálním zaznamenaném zrychlení či porovnání výkonů je uspokojivé. Díky tomu lze tuto zkoušku prohlásit za úspěšnou. V tabulce uvedený výkon motoru 90 kW neodpovídá předešlému tvrzení, kdy má mít motor pomoci úprav hodnotu okolo 100 kW. Je však nutno vzít v potaz vysoký kilometrový proběh vozu a s ním spojenou celkovou opotřebovanost motoru.

U vozidla Citroёn C5 Break lze porovnat jednotlivá měření mezi sebou společně s rozptylem získaných hodnot. Rozdíl ve zrychlení od přístroje XSENS je jistě způsoben velkou citlivostí akcelerometru, o které již byla řeč. Naproti tomu porovnání dat popisující výkon motoru jsou více než uspokojivá. Odhadnutý výkon osciluje velmi blízko hodnotě udávané výrobcem, což je překvapující při skutečnosti, kolik vstupních dat bylo nutno více méně odhadnout. I toto měření lze brát za velmi uspokojivé.

73


Diplomová práce

7 DISKUSE Obdobnou tématikou, tedy využití akcelerometru při měření zrychlení, se zabýval HÄNDEL (2008). Autoři prezentují nutnost použití vhodných nástrojů při zpracování získaných dat tak, aby výsledky nebyly zatíženy parazitními vlivy od působení zrychlení. Dynamické vlivy na karoserii vozidla ovlivňuje jednak možnost přenosu hnací síly a také sběr exaktních dat zrychlení. Záměrem autorů bylo vyjádřit matematickou funkci, která by vliv náklonu karoserie ve shromážděných datech eliminovala a ty by pak byly přesnější. (HÄNDEL, 2008)

Obr. 7.1 průběh zrychlení AUDI RS4 (B5) (HÄNDEL, 2008)

Na obr. 7.1 je ukázka generovaných dat z akcelerometru při rozjezdu velmi výkonného vozidla Audi. Jak je vidět, především na první rychlostní stupeň má vozidlo, i přes pohon všech kol, velké trakční problémy. To samozřejmě prodlužuje dobu skutečného zrychlování a nadměrně zatěžuje komponenty vozidla. (HÄNDEL, 2008)

Velké rozkmity jsou dány protáčejícími se koly, kdy se vozidlo příliš nepohybuje ve směru vpřed, ale do podvozku a následně i akcelerometru jsou přenášeny značné vibrace. Takto „rozkmitaná“ data poté zkreslují výpočty. (HÄNDEL, 2008)

74


Diplomová práce

Výsledky měření byly získány na zkušební dráze, kde je známa délka dráhy a zjišťuje se čas pomoci fotobuněk. Přesnost záznamu času byla ± 1 ms, záznam rychlosti ± 1 km/h. Pro možnost porovnání byl ve vozidle ještě akcelerometr. Z něho získaná data byla podrobena vytvořené aplikaci a výsledné upravené hodnoty jsou na obr. 7.2. Jak je vidět, rozdíly ve výsledcích jsou velice malé, procentuální vyjádření chyby je u času 0,05% a u rychlosti 5%. Tím pádem je možno určit výsledky autorů za velmi dobré a hledané funkce vhodné pro použití. (HÄNDEL, 2008)

Obr. 7.2 výsledky měření (HÄNDEL, 2008)

75


Diplomová práce

8 ZÁVĚR Vyhodnocené závěry z měření jsou uspokojivé, až na výsledky průběhu rychlosti z akcelerometru XSENS. Odvozená rychlost nebyla příliš realistická z důvodu vlivu zkreslených hodnot. Tento problém by vyřešila zmíněná aplikace z kapitoly diskuse, která eliminuje problémy a akcelerometrem.

Závislosti průběhu zrychlení z akcelerometru musely být pro větší přehlednost vyhlazeny, ale jinak byly průběhy obou křivek (GPS i XSENS) prakticky totožné. Dobrého výsledku bylo též dosaženo při určování výkonu motoru, kdy se rozdíly vešly do řádu jednotek procent.

Jako prostor pro zlepšení metodiky vidím zahrnutí korekčních metod do nashromážděných dat, co by reakci na vliv dynamických náklonů karoserie při měření zrychlení. Tím by odpadly nežádoucí rušivé vlivy akcelerometru a výsledky by bylo možno rychleji a snadněji interpretovat.

76


Diplomová práce

Seznam použité literatury [1]

VLK, František., 2000: Dynamika motorových vozidel. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, str. 434. ISBN 80-238-5273-6

[2]

VLK, František., 2005: Zkoušení a diagnostika motorových vozidel 2.vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, str. 576. ISBN 80-239-3717-0

[3]

VLK, František., 2001: Úlohy z dynamiky motorových vozidel. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, str. 221. ISBN 80-238-6574-9

[4]

ACHTENOVÁ, Gabriela a TŮMA, Vlastislav., 2009: Vozidla s pohonem všech kol. Praha: BEN - technická literatura, str. 384. ISBN 978-80-7300-236-7

[5]

VÉMOLA, Aleš., 2006: Diagnostika automobilů I. 1.vyd. Brno: Nakladatelství Littera, str. 128. ISBN 80-85763-31-1

[6]

RAPANT, Petr., 2002: Družicové polohové systémy 1.vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, str. 197. ISBN 80-248-0124-8

[7]

KINGSLEY- HUGHES, Kathie., 2005: Hacking GPS. Indianapolis: Wiley Publishing, str. 337. ISBN 0-76458-424-3

[8]

CHOLASTA, Lukáš., 2010: Měření a porovnání jízdních parametrů vozidel v různých jízdních situacích. Diplomová práce (in MS. dep. knihovna VUT v Brně), ÚSI VUT v Brně, Brno, str. 91.

[9]

JIRKOVSKÁ, Šárka., 2008: Navigační systémy. Bakalářská práce (in MS. dep. knihovna VUT v Brně), FEKT VUT v Brně, Brno, str. 70.

[10]

HÄNDEL Peter,ENSTEDT Bo and OHLSSON Martin., 2008: Combating the effect of chassis squat in vehicle performance calculations by accelerometer measurements. str. 483-488. Elsevier Ltd.: Measurement, Svazek 43, č. 4. květen 2010. str. 455-616

77


[11]

Diplomová práce

ČLUPEK, Jiří., 1976: Českoslovenksá státní norma. ČSN 30 0522. Praha : Vydavatelství Úřadu pro normalizaci a měření

[12]

Československá norma, 1992: ČSN 30 0556. Praha : Český normalizační institut

[13]

Předpis č. 51 (EHK/OSN): Dodatek č. 50. EUR-Lex. [Online] 20. květen 2011. [Citace: 28. únor 2012.] Dostupné na: http://eur-lex.europa.eu/cs/tools/about.htm

[14]

Předpis č. 89 (EHK/OSN): Dodatek č. 88. EUR-Lex. [Online] 20. květen 2011. [Citace: 28. únor 2012.] Dostupné na: http://eur-lex.europa.eu/cs/tools/about.htm

[15]

Směrnice Evropského parlamentu a Rady 95/1/ES. EUR-Lex. [Online] 20. květen 2011. [Citace: 26. únor 2012.] Dostupné na: http://eurlex.europa.eu/cs/tools/about.htm

[16]

Aktuální informace k omezovačům rychlosti. Autoklub ČR. [Online] 2004. [Citace: 20. únor 2012.] Dostupné na: http://autoklub.cz

[17]

HUSÁK, Miroslav. 8.akcelerometry. FELT ČVUT. [Online] [Citace: 20. březen 2012.] Dostupné na: http://www.micro.feld.cvut.cz

[18]

Wir sind für Sie da. Peiseler. [Online] 24. říjen 2011. [Citace: 20. březen 2012.] Dostupné na: http://www.peiseler-gmbh.de/

[19]

Corrysys-Datron Sensor system Gmbh. Corrysys-Datron. [Online] 12. prosinec 2011. [Citace: 20. březen 2012.] Dostupné na: http://www.corrsys-datron.com/

[20]

Instruction Manual Correvit® S-350. Corrysys-Datron. [Online] 6. říjen 2011. [Citace: 20. březen 2012.] Dostupné na: http://www.corrsysdatron.com/Support/Manuals/CS350A_002-581e.pdf

[21]

Vehicle Dynamycs. Kistler. [Online] [Citace: 23. březen 2012.] Dostupné na: http://www.kistler.com

78


[22]

Diplomová práce

State of the art in-car video & data. Racelogic. [Online] 12. leden 2012. [Citace: 20. březen 2012.] Dostupné na: http://www.videovbox.co.uk/

[23]

PeformanceBOX. Racelogic. [Online] [Citace: 20. březen 2012.] Dostupné na: http://www.performancebox.co.uk/

[24]

Test & Measurement Solutions. Dewetron. [Online] 16. prosinec 2010. [Citace: 25. březen 2012.] Dostupné na: http://www.dewetron.com

[25]

So testet AUTO BILD. Auto Bild. [Online] 12. květen 2011. [Citace: 23. únor 2012.] Dostupné na: http://www.autobild.de

[26]

Co to je GPS? Historie a úvod do problematiky. CE4YOU. [Online] 12. prosinec 2005. [Citace: 27. březen 2012.] Dostupné na: http://www.ce4you.cz

[27]

Official U.S. Government information about the Global Positioning System (GPS). GPS.GOV. [Online] 15. březen 2012. [Citace: 28. březen 2012.] Dostupné na: http://www.gps.gov

[28]

GPS system. KOWOMA. [Online] 5. květen 2009. [Citace: 27. březen 2012.] Dostupné na: http://www.kowoma.de/gps/

[29]

Galileo. Obor kosmických technologií a družicových systémů. [Online] 2011. [Citace: 28. březen 2012.] Dostupné na: http://www.spacedepartment.cz/

[30]

GLONASS. National navigation services provider. [Online] 2011. [Citace: 5. duben 2012.] Dostupné na: http://www.nis-glonass.ru/en

[31]

The NASA Global Differential GPS Systém. NASA. [Online] 30. listopad 2009. [Citace: 5. duben 2012.] Dostupné na: http://www.gdgps.net/

79


Diplomová práce

Seznam použitých zkratek a symbolů ČSN

česká státní norma

DGPS

diferenční GPS systém

EHK

Evropská hospodářská komise

ES

Evropské společenství

Galileo

Evropský navigační systém

GLONASS

Ruský navigační systém

GPS

Global Positioning System - Americký navigační systém

TŰV SŰD

organizace provádějící testování a zkoušení

WAAS

rozšiřující letecká aplikace k GPS

t

[s]

čas

Sx

[m2]

čelní plocha vozidla

x

[m]

dráha

m

[kg]

hmotnost

FK

[N]

hnací síla

ρ

[kg.m-3]

měrná hmotnost vzduchu

Os

[N]

odpor stoupání

[N]

odpor valení

OV

[N]

odpor vzduchu

Oz

[N]

odpor zrychlení

Φ

[-]

podíl hnacích sil mezi nápravami

v

[m.s-1]

rychlost

µ

[-]

součinitel adheze

f

[-]

součinitel odporu valení

ϑ

[-]

součinitel vlivu rotačních částí

cx

[-]

součinitel vzdušného odporu

to

[°C]

teplota

G

[kg]

tíha vozu

g

[m.s-2]

tíhové zrychlení (9,81 m.s-2)

p

[Pa]

tlak

MK

[Nm]

točivý moment na kole

PK

[W]

výkon na kole

/

80


Diplomová práce

Pe

[W]

výkon motoru

Ap

[N]

vztlak na přední nápravě

Av

[N]

vztlak na zadní nápravě

a

[m.s-2]

zrychlení

Seznam obrázků a grafů Obr. 2.1 odvození pohybových rovnic při pohonu: ........................................................ 12 Obr. 2.2 poloha pólu relativního pohybu vůči podložce (poháněné kolo) (Vlk, 2000) . 12 Obr. 2.3 silové poměry na valícím se kole (Vlk, 2000) ................................................... 13 Obr. 2.4 a) obtékání vzduchu kolem vozu – proudnice .................................................. 15 Obr. 2.5 Audi A2 3L s rekordní aerodynamikou ( www.auto.cz) ................................... 16 Obr. 2.6 určení odporu stoupání (Vlk, 2000) ................................................................. 16 Obr. 2.7 rotační části automobilu (Vlk, 2000) ................................................................ 17 Obr. 2.8 výkon potřebný na překonání jízdních odporů (Vlk, 2000) .............................. 19 Obr. 2.9 momentová rovnováha k bodu A (Achtenová, Tůma, 2009)............................. 20 Obr. 2.10 vliv typu pohonu na stoupavost vozidla (Achtenová, Tůma, 2009) ................ 23 Obr. 2.11 skluzová charakteristika pneumatiky (Vlk, 2000)........................................... 24 Obr. 2.12 kinematika poháněného kola (Vlk, 2000) ....................................................... 24 Obr. 2.13 omezení rychlostních charakteristik přilnavostí: ........................................... 25 Obr. 2.14 rychlostní charakteristika - měrné zrychlení a vliv součinitele rotačních častí (Vlk, 2000) ...................................................................................................................... 26 Obr. 2.15 sestrojení charakteristik rozjezdu (Vlk, 2000) ................................................ 27 Obr. 2.16 časový průběh rychlosti vozidla při rozjezdu (vliv řazení) (Vlk, 2000).......... 28 Obr. 2.17 vliv spoileru na velikost vztlaku A na nápravách (Vlk, 2000) ........................ 29 Obr. 3.1 Průběh akcelerační zkoušky na vozidle s omezovačem rychlosti (14) ............. 33 Obr. 3.2 tabulka naměřených hodnot Auto Bild (www.autotip.auto.cz)......................... 34 Obr. 3.3 indukční snímač umístěný na vlečném kole (Vémola, 2006) ............................ 37 Obr. 3.4 měřidlo otáčení – impulzní systém (www.corrsys-datron.com) ....................... 37 Obr. 3.5 princip funkce optického měření rychlosti (www. corrsysdatron.com),(Vémola, 2006) ........................................................................................... 38 Obr. 3.6 princip radarového měření rychlosti (Vlk, 2005) ............................................. 38 Obr. 3.7 kyvadlový akcelerometr

Obr. 3.8 kapalinový akcelerometr (1Hz) ....... 39

Obr. 3.9 schematické konstrukční uspořádání akcelerometru (17) ................................ 40

81


Diplomová práce

Obr. 3.10 3osý akcelerometr (17) ................................................................................... 40 Obr. 3.11 princip piezoelektrického snímače (17) .......................................................... 41 Obr. 3.12 schéma hřebenového uspořádání kapacitního akcelerometru (17) ............... 41 Obr. 3.13 schéma stabilizační desky (Vlk, 2005) ............................................................ 42 Obr. 3.14 kompletní měřící systém Peiseler (www.google.com) .................................... 43 Obr. 3.15 optická hlava (20) ........................................................................................... 44 Obr. 3.16 způsob a místo uchycení měřidla na vozidle (20)........................................... 44 Obr. 3.17 sestava Video VBOX od firmy Racelogic (22)................................................ 45 Obr. 3.18 přístroj Performance BOX (23)

Obr. 3.19 video záznam z jízdní

zkoušky ............................................................................................................................ 46 Obr. 3.20 schéma sběru a zpracování dat (24)............................................................... 47 Obr. 4.1 oběžné dráhy satelitů (RAPANT, 2002) ........................................................... 49 Obr. 4.2 rozmístění důležitých stanic systému GPS po Zemi (27) .................................. 50 Obr. 4.3 struktura přijímače GPS (RAPANT, 2002) ..................................................... 51 Obr. 4.4 určení polohy dvěma satelity (28) .................................................................... 52 Obr. 4.5 chyba zaměření důvodem hodin přijímače (28) ............................................... 52 Obr. 4.6 třetím signálem určená přesná poloha bodu A (28) ......................................... 53 Obr. 4.7 geometrické uspořádání družic (28)................................................................. 54 Obr. 4.8 ovlivnění radiových vln průchodem atmosféry (28) ......................................... 54 Obr. 4.9 porovnání oběžných drah systému GLONASS (vlevo) a GPS (vpravo) (www.google.com) .......................................................................................................... 56 Obr. 4.10 oběžné dráhy systému Galileo (www.google.com) ......................................... 56 Obr. 4.11 umístění antén na střeše vozidla (22) ............................................................. 58 Obr. 4.122 použití základové stanice při měření (22) .................................................... 59 Obr. 5.1 GPS modul Garmin .......................................................................................... 60 Obr. 5.2 akcelerometr XSENS MTi ................................................................................. 61 Obr. 5.3 Grafický zdrojový kód pro sběr dat ze snímače XSENS (realizováno přes sériový port) .................................................................................................................... 62 Obr. 5.4 Zdrojový kód programu pro sběr dat z modulu GPS (NMEA 0183) ................ 63 Obr. 5.5 Maska programu pro sběr dat z GPS a akcelerometru XSENS ....................... 63 Obr. 5.6 vhodné umístění GPS antény (přijímače) (KINGSLEY, 2005) ........................ 65 Obr. 5.7 zkušební úsek při měření u obce Rostěnice ...................................................... 67 Obr. 6.1 zrychlení vozidla SEAT ..................................................................................... 69

82


Diplomová práce

Obr. 6.2 zrychlení vozidla Citroёn.................................................................................. 70 Obr. 6.3 průběh rychlosti vozidla SEAT ......................................................................... 70 Obr. 6.4 průběh rychlosti vozidla Citroёn ...................................................................... 71 Obr. 6.5 průběh výkonu během zrychlování SEAT ......................................................... 71 Obr. 6.6 průběh výkonu během zrychlení Citroёn .......................................................... 72 Obr. 7.1 průběh zrychlení AUDI RS4 (B5) (HÄNDEL, 2008) ........................................ 74 Obr. 7.2 výsledky měření (HÄNDEL, 2008) .................................................................. 75

Seznam tabulek Tab. 2.1

hodnoty součinitele odporu valení pro typické povrchy (Vlk, 2000)

Tab. 3.1

zkoušky podle metodiky Auto Bild (25)

Tab. 3.2

parametry přístroje Peiseler VSS (18)

Tab. 3.3

2-osý optický senzor pro měření dynamiky (20)

Tab. 3.4

20 Hz systém VBOX (22)

Tab. 3.5

Základní parametry DEWE-1201 (24)

Tab. 4.1

chyby GPS (28)

Tab. 5.1

data k akcelerometru XSENS MTi

Tab. 5.2

detaily zkušební dráhy

Tab. 5.3

základní charakteristika vozidel

Tab. 5.4

informace o vozidlech před jízdou

Tab. 6.1

Výsledné hodnoty zrychlení a výkonu ze všech jízdních zkoušek

Seznam příloh Příloha 1

orbity navigačních systémů, schéma data-loggeru

Příloha 2

ukázka vstupních dat před zpracováním

Příloha 3

detailní grafická závislost zrychlení na čase

83


Diplomová práce

PŘÍLOHA 1

Vzdálenosti orbitů systémů navigace

schéma vstupů a výstupů data-loggeru VBOX3i (22)

84


Diplomová práce

PŘÍLOHA 2

Ukázka naměřených dat před zpracováním (SEAT)

GPS Čas mezi vzorky Čas kumulativní Rychlost

XSENS Zrychlení X (m/s2)

Zrychlení Y (m/s2)

Zrychlení Z (m/s2)

0,196

0

0,148

0,209385

0,195427

9,84454

0,201

0,201

0,222

0,214195

0,20744

9,82058

0,199

0,4

0,648

0,267406

0,190617

9,774992

0,199

0,599

1,056

0,2433

0,173773

9,805977

0,202

0,801

1,982

0,209329

0,20747

9,854324

0,202

1,003

3,556

0,253003

0,166546

9,786673

0,2

1,203

5,223

0,228906

0,154488

9,793577

0,198

1,401

7,223

0,175613

0,183378

9,870668

0,203

1,604

9,075

0,233568

0,193017

9,810932

0,197

1,801

9,779

0,243361

0,166522

9,776938

0,22

2,021

11,019

0,209385

0,195427

9,84454

85

Čas (s) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1


Diplomová práce

PŘÍLOHA 3 Lepší prostorové znázornění průběhu zrychlení ení v čase (CITROËN )

Průběh zrychlení CITRÖEN 6 zrychlení GPS

zrychlení [m/s2]

5

zrychlení XSENS vyhlazený signál XSENS

4

3

2

1

0 0

2

4

6

8

-1

86

10

12

14

čas [s-1]

16

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Měření zrychlení vozidla

Recommend Documents